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年度最大科学谜团:轰动全球的室温超导翻车了?连发3篇Nature、Science关切!,中国化工网,okmart.com
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年度最大科学谜团:轰动全球的室温超导翻车了?连发3篇Nature、Science关切!
2021年11月17日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

里程碑!真正意义上的室温超导!

2020年10月14日,《自然》封面介绍了罗彻斯特大学发表的一篇重磅论文,纽约罗切斯特大学的物理学家Ranga Dias与Salamat等合作者一起创造出一种氢化物材料,首次在高达15℃的温度下,观察到常温超导现象。这是高温超导材料的全新记录,这一突破性进展也代表着,人类向着长久以来希望创造出具有最优效率电力系统的目标又迈近了一步(今日《Nature》里程碑:投稿到接收仅用10天,15℃,真正意义上的室温超导!)。文章一经发表,立刻引发全球关注,同期Science发表了“At last, room temperature superconductivity achieved”的评论,赞叹“终于实现了室温超导”中国化工网okmart.com

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三篇NS报道,引发强烈关注!

然而,这一成果昙花一现,随着钻石颚爆炸,世界上唯一的室温超导体就此突然消失。与此同时,对于这一成果,学术界也是褒贬不一。加州大学圣迭戈分校物理学家Jorge Hirsch更是对一些证据提出了质疑,尤其是一组磁场测量数据。他表示,自己要求查看基本数据的请求被作者拒绝了近1年。据《科学》报道,在一篇同行评议论文中,Hirsch指责该研究结果“可能存在欺诈”。


【超导研究,10人5次获诺奖】

自1911年超导发现以来,在超导研究的百年历史上共有十人获得了五次诺贝尔物理学奖:1913年昂内斯因氦气的成功液化和超导的发现获奖;1972年巴丁、库珀、施里弗因常规金属的超导微观理论——BCS理论获奖;1973年约瑟夫森和贾埃弗因超导隧道结中的约瑟夫森效应理论预言及实验研究与江崎(L. Esaki)分享诺贝尔奖;1987年柏诺兹和缪勒因铜氧化合物高温超导材料的发现而获奖;2003年阿布里科索夫和金茨堡因超导唯象理论和预言量子磁通涡旋与莱格特(A. J. Leggett)分享诺贝尔奖。

超导赋予了材料两个关键的特性:电阻消失和完全抗磁性。完全抗磁性又称迈斯纳效应,指在磁场强度低于临界值的情况下,磁力线无法穿过超导体,超导体内部磁场为零的现象。

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从磁共振成像仪到手机信号塔,超导体有各种技术应用。研究人员已经开始在高性能风力涡轮发电机中测试这些超导体。不过,对庞大低温工程的要求依然限制着它们的应用。常见超导体可以在大气压下工作,但温度必须极低。即使是最先进的超导体——氧化铜基陶瓷材料——也要求温度在133开尔文(−140 °C)以下。室温超导体将带来巨大的技术变革,彻底改变人们的生活。

Dias在罗彻斯特大学的实验室将一种碳氢硫混合物(CSH)放入他们在钻石对顶砧微腔中,用激光激发样品发生化学反应,并观察到一个晶体形成。随着他们不断将实验温度降低,穿过材料的电流电阻降到了零,显示该样品已经具有超导性。随后,他们开始增加压强,发现这种转变会在越来越高的温度下出现。最后,他们获得最佳结果的实验条件是287.7开尔文(14.55℃)的转变温度和267吉帕的压强——相当于大气压的260万倍。研究人员还发现一些证据表明这个晶体会在转变温度下排挤掉它的磁场,这也是验证超导性的一个关键。


钻石对顶砧实验装置

【质疑,实验重复不出来】

然而,去年被誉为物理学突破的结果也引起了怀疑,现在已经升级为愤怒的指责。一些科学家试图复制或扩展这一发现,但没有取得多大成功。加州大学圣迭戈分校物理学家Jorge Hirsch指出,与其他超导体一样,CSH在低于“临界温度”并成为超导体时表现出电阻的特征性下降。然而,为了确认材料超导,物理学家还在寻找第二个迹象,称为迈斯纳效应,在有磁场的情况下,样品被冷却至它们的超导相变温度以下。在相变温度以下时,样品几乎抵消掉所有里面的磁场。


Figure . 迈斯纳效应示意图

在氢化物中测量迈斯纳效应是不可能的,因为它们是在钻石对顶砧(DAC)的高压装置内以微量形成的,该装置通常由磁性材料制成。因此,研究人员转而评估了一种称为交流磁化率的特性,这是一种衡量材料在外加磁场中磁化程度的指标。在Dias的Nature论文中,CSH的交流磁化率在Tc处急剧下降,这与材料正在驱逐磁场的解释一致。


但数据还显示,当材料冷却至低于Tc时,交流磁化率再次上升。Hirsch认为,这种行为在超导体中并不常见,尽管其他人表示这种行为在其他高压下的超导体中也出现过。Hirsch申明CSH 的一些交流磁化率数据看起来与现在有问题的其他数据非常相似,这些数据来自 2009 年《物理评论快报》关于高压下铕超导性的论文。该研究的作者之一詹姆斯·哈姆林(JamesHamlin)是佛罗里达大学的物理学家,他作为研究生参与了铕研究,他说,最近确定“数据发生了变化”,现在,一些共同作者正在重新进行测量,如果出现问题,该团队将撤回论文。

铕论文的第一作者Mathew Debessai现在就职于英特尔公司,负责交流磁化率测量,并为Dias的CSH工作进行了这些测量。Hirsch认为,来自CSH论文的数据轨迹看起来与来自铕论文的数据轨迹“非常相似”。Schilling同意部分痕迹看起来确实相似,但他说不出原因。Debessai拒绝回应有关数据的问题,但通过电子邮件写道,他将在arXiv预印本服务器上发布正式回复。

2020年10月和11月,Hirsch通过电子邮件向Dias发送了原始数据请求。Dias回答说他不会提供数据的原因包括他的团队正在为这项工作申请专利,他的律师建议不要发布数据。

后来,Hirsch向Nature和资助这项工作的美国国家科学基金会(NSF)索取了数据。8月30日,《自然》在Dias的论文中附上了一份编辑说明:“《自然》的编辑已收到与本文背后数据相关的未声明访问限制的警告。我们正在与作者合作更正数据可用性声明。”NSF和罗切斯特大学都告诉《科学》杂志,他们无法对可能的调查事项发表评论。

然后,最近在Physica C: Superconductivity and its Applications杂志中,Hirsch写道:Dias异常的AC磁化率结果,加上铕数据中看似不规则的数据,以及他在获取CSH数据方面的努力,加剧了他的怀疑。

鉴于这些问题,几位科学家表示Dias应该公开他的数据,比如加州大学伯克利分校的理论物理学家马文·科恩 (Marvin Cohen)。

【Dias反驳】

Dias和其他人表示,他们不相信赫希会公平地评估数据。马克斯普朗克化学研究所的化学家瓦西里明科夫说,他合成氢化物超导体,并申明Hirsch从马克斯普朗克实验中精心挑选了数据作为他的批评。

【谜团进一步加深,不需要碳,也能实现!】

几个新的结果进一步加深了这个谜团。在9月30日发表在arXiv上的预印本中,Goncharov的小组报告了在高压下合成CSH——使用与Dias不同的配方——并观察到类似于Dias报道的晶体结构。Dias认为结果是正确的,称Goncharov的材料具有他的团队报告的“精确结构”。但Goncharov更为谨慎,他的团队没有测试其CSH样品是否具有超导性。

但在未发表的工作中,Minkov说他和他的同事合成了与Dias相同的CSH结构,并发现它不会在H3S(一种已知的氢化物超导体)的Tc以上超导。Minkov说H3S可能是他的CSH样品中超导性的原因,碳并没有起到任何作用。


标签:化工应用技术中心今日头条精细化学品
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