2023 年 3 月 7 日，美國(guó)羅切斯特大學(xué)教授郎加·迪亞斯（）在美國(guó)物理學(xué)年會(huì)上宣布發(fā)現(xiàn)了近常壓的室溫超導(dǎo)體，相關(guān)論文隨后發(fā)表在 Nature 上，引起了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。

隨后，很多研究人員對(duì)這個(gè)“轟動(dòng)”的結(jié)果提出質(zhì)疑。全球多個(gè)課題組根據(jù)所發(fā)表論文提供的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)，均未能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。

圖丨（來(lái)源：南京大學(xué)）

3 月 15 日，南京大學(xué)教授團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本網(wǎng)站 arXiv 發(fā)布了一篇論文推翻了的結(jié)論。僅兩個(gè)月后，相關(guān)論文于 2023 年 5 月 11 日在線發(fā)表在 Nature 上，題為《LuH 2 ±xNy 在近常壓下無(wú)超導(dǎo)電性》（ ）[1]。

該論文的共同第一作者是博士生明學(xué)和張英杰，共同通訊作者是南京大學(xué)副教授、李慶助理研究員和教授。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature）

在預(yù)印版初稿中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)從環(huán)境壓力到 6.3Gpa，溫度低至 10K，镥氮?dú)洳牧?LuH 2 ±xNy 中不存在超導(dǎo)性。這僅對(duì)常壓或近常壓下條件下該材料的性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，在最新發(fā)表于 Nature 的論文里，補(bǔ)充了大量的新數(shù)據(jù)。

結(jié)果顯示，在高達(dá) 40.1GPa 的壓力下和低至 2K 的溫度下，镥氮?dú)洳牧?LuH 2 ±xNy 中都不存在超導(dǎo)電性。這表明該材料不僅非近常壓下的室溫超導(dǎo)材料，甚至都不具備環(huán)境超導(dǎo)性。

（來(lái)源：Nature）

最初，團(tuán)隊(duì)在得知公布的結(jié)果后，根據(jù)論文中給出的條件，嘗試復(fù)刻其實(shí)驗(yàn)。但研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)方案是不可行的。在 65℃ 下，通過(guò)金剛石砧加壓至 1 萬(wàn)個(gè)大氣壓，讓镥、氮?dú)?、氫氣發(fā)生反應(yīng)。

但這個(gè)反應(yīng)在 65℃ 下幾乎完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)，除非采用激光加熱。于是，團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身的條件，采用高溫高壓反應(yīng)爐合成镥氮?dú)洳牧稀 射線衍射的結(jié)果顯示他們合成的材料為面心立方結(jié)構(gòu)（空間點(diǎn)群為 Fmm），與的樣品組分幾乎一致（稍有差別，在儀器誤差范圍之內(nèi)）。

此外，能量色散 X 射線光電子能譜的表征結(jié)果也證明了這個(gè)材料中含有氮元素，其分布式不均勻的，平均原子占比在 1.2% 左右，這與團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)相同。

（來(lái)源：Nature）

新發(fā)表的論文中還補(bǔ)充了拉曼光譜數(shù)據(jù)，該材料的四個(gè)主峰都與所合成樣品的一致。他們前后做了 30 多個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)，并均進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。多種實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果顯示，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)所合成材料的結(jié)構(gòu)一致性，這為后續(xù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

論文中的新數(shù)據(jù)里也包含了更高壓力下材料的顏色變化，隨著壓力從 2.1Gpa 逐步增加至 41GPa，合成的材料顏色由深藍(lán)色變?yōu)樽仙?，再變?yōu)榉奂t色。在所有測(cè)試的壓力條件下，該材料的電阻隨著溫度下降而減小，但并未出現(xiàn)零電阻現(xiàn)象，即展現(xiàn)超導(dǎo)性。

實(shí)際上，Nature 原本打算將該論文以 Matter Arising Argument（沖突的爭(zhēng)辯）的形式發(fā)表，而不是 Research article（研究論文）形式，但團(tuán)隊(duì)在回復(fù)審稿人審稿意見(jiàn)的過(guò)程中，補(bǔ)充了大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)，使文章的內(nèi)容更為豐富，所以 Nature 最終決定以研究論文的形式發(fā)表。

在審稿過(guò)程中，審稿人曾質(zhì)疑團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的靈敏性。為應(yīng)對(duì)該問(wèn)題，他們選擇了一個(gè)已研究多年的銅氧化物超導(dǎo)體 [(Cu, C)Ba 2 Ca 3 Cu 4 O 12 -d]（轉(zhuǎn)變溫度為 112K）進(jìn)行了同樣條件的測(cè)量。假如實(shí)驗(yàn)的 LuH 2 ±xNy 材料呈超導(dǎo)性，那么它的磁測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)為一致的。

但是，與真正的超導(dǎo)體相比，LuH 2 ±xNy 材料信號(hào)要弱約 100 倍，而且僅呈現(xiàn)一個(gè)極微弱的正磁矩信號(hào)。從結(jié)果來(lái)看，溫度在 100-350K 區(qū)間時(shí)，無(wú)相關(guān)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的抗磁信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地支持了團(tuán)隊(duì)的結(jié)論，并得到了審稿人的支持。

與此同時(shí)，Nature 也將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋給了團(tuán)隊(duì)，但他們表示是樣品不一致導(dǎo)致出現(xiàn)了不同的結(jié)果。在此之前，在團(tuán)隊(duì)的結(jié)果發(fā)布兩天后，中科院物理所研究員就曾提出過(guò)質(zhì)疑，并對(duì)過(guò)氫化镥材料（Lu 4 H 23 ）進(jìn)行研究。

根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在 218Gpa 的壓強(qiáng)下，氫化镥的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是 71K（約-202℃）；如果壓強(qiáng)降低到 181Gpa，轉(zhuǎn)變溫度會(huì)降低到 65K（約-208℃），其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)低于室溫。但需要了解的是，他們?cè)谶@個(gè)材料中沒(méi)有加入氮的成分，因此可以說(shuō)，不算結(jié)果的完全復(fù)現(xiàn)。

中科院物理所的程金光研究員在其實(shí)驗(yàn)中，主要聚焦在亞斯實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，超導(dǎo)材料顏色變化的方面。

按照的說(shuō)法，該室溫超導(dǎo)材料在不同階段呈不同變化，即制備初始階段呈現(xiàn)出“有光澤的藍(lán)色”，在壓力增加后變?yōu)槌瑢?dǎo)，顏色從藍(lán)色漸漸地變成粉紅色，最終轉(zhuǎn)為鮮紅色，也就是非超導(dǎo)金屬狀態(tài)。其團(tuán)隊(duì)通過(guò)氫化镥材料進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，他們的關(guān)注主要在于材料的顏色轉(zhuǎn)變過(guò)程是否有超導(dǎo)現(xiàn)象。

根據(jù)其預(yù)印本網(wǎng)站 arXiv 論文，氫化镥在約 2.2Gpa 時(shí)由藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榉奂t色；而在約 4Gpa 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱良t色，這與的實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。然而，程金光課題組在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中確認(rèn)了無(wú)超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)生。他們甚至將這種材料一直加壓到 7.7Gpa，溫度降低至 1.5K，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絲毫超導(dǎo)的跡象。

總體來(lái)說(shuō)，根據(jù)目前已有的結(jié)果，已有諸多證據(jù)指出團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)存在問(wèn)題，除非他們能給出令人信服的新數(shù)據(jù)，但這非常困難。

去偽存真是科學(xué)研究中非常重要的一環(huán)，科學(xué)都是在“發(fā)現(xiàn)-否定-再發(fā)現(xiàn)”的過(guò)程中螺旋前進(jìn)的。團(tuán)隊(duì)的研究雖然只是對(duì)團(tuán)隊(duì)室溫近常壓超導(dǎo)結(jié)果的否定，但其意義仍然十分重要。

目前看來(lái)，室溫超導(dǎo)研究仍有很長(zhǎng)的路要走，團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究也激發(fā)了科學(xué)家探索含氫化合物作為近常壓下室溫超導(dǎo)材料的興趣。

參考資料：

1.Ming, X., Zhang, YJ., Zhu, X. et al. Absence of near-ambient superconductivity in LuH2±xNy. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06162-w

運(yùn)營(yíng)/排版：劉雅坤