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再度刷屏的“室溫超導(dǎo)”靠譜不？不日見分曉

時間：2023-03-09 14:37:59 來源：IT之家閱讀量：15472

美國時間 3 月 7 日，在國際物理學(xué)界的盛會美國物理學(xué)會三月會議上，羅徹斯特大學(xué)的 Ranga Dias 教授宣布在近環(huán)境壓強下實現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。其報告的題目是:Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure。消息一出，迅速刷屏，不僅學(xué)界關(guān)心，產(chǎn)業(yè)界也殊為關(guān)心。如若實驗最終能重復(fù)驗證，將是一個極具廣泛影響的爆炸性突破。

董唯元、譚瑩

RangaDias 教授報告現(xiàn)場

為什么說“又”呢？早在 28 個月前的 2020 年 10 月，這位 Ranga Dias 教授和他的團隊就在《自然》雜志上發(fā)表了在碳氫硫中發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的成果。當(dāng)時的成績是，在 267GPa 的壓強下實現(xiàn) 15℃的超導(dǎo)。這一成果在當(dāng)時就吸引了許多社會關(guān)注，我們也曾急吼吼地寫了篇原理性的介紹(詳見《超高壓下首次實現(xiàn)室溫超導(dǎo)》)。

可惜 2020 年那篇論文后來受到許多質(zhì)疑，最終在作者反對的情況下被期刊強行撤稿。而這次的新成果是基于三元氫化物的，具體說是氮摻雜氫化镥(nitrogen-doped lutetium hydride, NDLH)，其結(jié)論最終是否能得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，需要其他實驗組來重復(fù)檢驗。

2022 年，Science 對上述文章被撤稿的報道

在論文上線前，一位不便透露姓名的超導(dǎo)科學(xué)家 A 對《返樸》表示，直覺該結(jié)果“too good to be true. ”他稱，以前就有人用傳統(tǒng)的 BCS 理論預(yù)言過，但關(guān)鍵是材料很難實現(xiàn)，現(xiàn)在 Ranga Dias 魔術(shù)般做出來了。

中國科學(xué)院物理研究所研究員孫力玲在接受《返樸》采訪時表示:“值得注意的是，Dias 報告中給出的樣品照片的顏色為藍色，與我們通常看到的超導(dǎo)體具有的黑色和褐色等完全不同。如果其顏色是樣品的本色，說明即使將來其它研究組可以從實驗上證實其超導(dǎo)電性，這種超導(dǎo)體也不應(yīng)該是我們以前所知道的超導(dǎo)體?！?/p>

Dias 最新論文中給出的實驗視頻截圖，樣品在環(huán)境壓力下為藍色

她說:“人們期待這件事情能夠被其它更多的實驗研究組所驗證。就像在 1987 年的美國 APS 三月會議上銅氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破液氮溫區(qū)的報告所掀起的熱潮，使人們在很短的時間里，通過大量的實驗研究對銅氧化物的超導(dǎo)電性有了確定的認(rèn)識，這使得銅氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)者繆勒和班諾茲當(dāng)年就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。”

這次之所以十分轟動，是因為如果這次的實驗被認(rèn)可的話，那無疑將是一個極具商業(yè)價值的成果，其意義比 2020 年的那次烏龍成果還重要得多。兩年半之前的那個成果，即使是真實的，也需要 270 萬個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強，這差不多接近地球中心處的壓強，是現(xiàn)代工藝技術(shù)難以企及的條件。而 Ranga Dias 教授如今所宣稱的結(jié)論，是在 1 萬個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下實現(xiàn)室溫超導(dǎo)，這就一下子把工藝難度大大降低了。這僅相當(dāng)于馬里亞納海溝處海水自然壓強的 10 倍，或是地殼與地幔交界處的壓強。

孫力玲說:“新報道的超導(dǎo)體在很低的壓力下就可以獲得，這個壓力在商業(yè)化的實驗設(shè)備上(通常 lt; 3GPa)都可以輕易實現(xiàn)，在實驗技術(shù)上并沒有壁壘?！?/p>

在 APS 的報告會上，Ranga Dias 教授本來并未透露太多實驗細節(jié)，但北京時間 3 月 8 日晚間，該工作于 Nature 在線發(fā)布。孫力玲說:“Dias 教授在剛發(fā)表的 Nature 文章中給出了制備方法和大致的化學(xué)組分，因而其它研究組應(yīng)該能夠在短時間內(nèi)就會對其實驗結(jié)果的可靠與否加以證實。”

中國科學(xué)院物理研究所研究員羅會仟也告訴《返樸》:“公布了很多實驗數(shù)據(jù)，還有視頻，而且條件很一般，很容易被重復(fù)，很快見分曉?！?/p>

文章剛剛被 Nature 在線發(fā)表

如此友好的實驗條件要求，令人不禁感覺假如能證實為真，分分鐘就可以將其應(yīng)用于各種工業(yè)乃至生活場景之中。難怪有許多原本不關(guān)心物理學(xué)的商界人士，都在第一時間認(rèn)真打聽這個成果的靠譜程度，有些商業(yè)大拿甚至還想惡補一下關(guān)于超導(dǎo)方面的理論知識。

在外人看來，物理學(xué)是門非常講究原理模型和理論計算的學(xué)問。理論物理學(xué)家們也經(jīng)常提及“電子反常磁矩”這個老梗，來彰顯物理學(xué)的精神所在。這個物理量的理論預(yù)測值與實驗測量值在至少 12 位有效數(shù)字上保持一致，是確認(rèn)精度最高的常數(shù)。

然而超導(dǎo)物理的研究現(xiàn)狀，卻很難體現(xiàn)這種榮光。事實上，與粒子物理相比，超導(dǎo)物理更像是一門玄學(xué)。研究者通過紛繁混雜的朦朧線索，幾乎像大海撈針一樣嘗試各種可能的材料。

目前所發(fā)現(xiàn)的各種具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)可謂五花八門，其中包括金屬單質(zhì)、含金屬化合物、非金屬單質(zhì)、非金屬化合物…… 許多物質(zhì)在普通條件下就是完全絕緣的陶瓷，只有在極特殊的環(huán)境下才展現(xiàn)出超導(dǎo)特性。當(dāng)然這也充分地說明，超導(dǎo)現(xiàn)象是一種普遍存在的特性，并不限于特定的元素或材料類型。

然而越是普遍存在的特性，其背后的基本原理往往隱藏得越深。自從 1911 年超導(dǎo)現(xiàn)象被首次發(fā)現(xiàn)之后，理論研究者就試圖對這種神奇的現(xiàn)象做出理論解釋。如今 100 多年過去了，物理學(xué)家們也確實提出了許多理論。

可每個理論都只能解釋一部分超導(dǎo)現(xiàn)象，目前還沒有一個統(tǒng)一的理論可以解釋所有的超導(dǎo)特性。我們只知道超導(dǎo)和超流一樣，是量子效應(yīng)在宏觀世界的展現(xiàn)，但那些限定觸發(fā)機制、方式和條件的底層要素，卻始終難以捕捉。

如果想判斷一個材料的可燃性，只需在計算機上簡單計算一下化學(xué)鍵的結(jié)合能就直接做出判斷，而不必真的用火柴去點燃它。這正是因為我們理解了“燃燒”這個特性的底層要素。而對超導(dǎo)而言，我們的理解程度還遠未達到這種程度。

其實整個學(xué)界也非常期盼超導(dǎo)理論的建立，這從諾獎的發(fā)放情況就可見一斑。幾乎每次超導(dǎo)研究的重要建樹都會得到諾貝爾獎委員會的格外青睞，至今已經(jīng)有 5 次諾獎頒發(fā)給了超導(dǎo)領(lǐng)域，分別是 1913 年、1972 年(BCS 理論)、1973 年(約瑟夫森效應(yīng))、1987 年(陶瓷材料的超導(dǎo)現(xiàn)象)和 2003 年(超導(dǎo)和超流的新理論)。

其中 1972 年三位獲獎?wù)咧械?John Bardeen 是史上唯一獲得過兩次諾獎的物理學(xué)家，他在 1956 年因發(fā)明晶體管而獲得諾獎。要知道，就連愛因斯坦都只因解釋光電效應(yīng)拿過一次諾獎，他的狹義相對論和廣義相對論都沒再幫他拿過第二次。由此可見諾獎委員會是多么認(rèn)可 BCS 理論的問世。

然而即便像 BCS 理論這樣一個已經(jīng)寫入教科書的理論，其實也只能解釋一小部分已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象。有趣的是，專業(yè)人士口中超導(dǎo)現(xiàn)象被劃分為“常規(guī)超導(dǎo)”和“非常規(guī)超導(dǎo)”兩大類。而所謂非常規(guī)超導(dǎo)，就是指不能用 BCS 理論來解釋的那些超導(dǎo)現(xiàn)象。比如前幾年曾經(jīng)大熱的石墨烯，就是典型的非常規(guī)超導(dǎo)。

前述超導(dǎo)專家 A 教授說，如果此次的發(fā)現(xiàn)最終能被重復(fù)出來，驗證為真，其理論解釋還是傳統(tǒng)的 BCS，理論上并沒有太多新的可做，難度在于如何實現(xiàn)材料。當(dāng)被問及新興的 AI 輔助設(shè)計材料是否能堪大任時，他表示難度很大，因為計算機有較大的局限性，好做的都是傳統(tǒng)弱關(guān)聯(lián)材料，這類材料的物理機制都清楚，相當(dāng)于變一下參量，而對強關(guān)聯(lián)材料，計算機無能為力。

在超導(dǎo)現(xiàn)象的探索過程中，理論研究者苦苦思索，而實驗研究者靠著直覺、經(jīng)驗、創(chuàng)意、勇氣、耐心和運氣前行?！斗禈恪穼⒊掷m(xù)關(guān)注此事的后續(xù)進展，并于明日繼續(xù)邀請專業(yè)人士進行解讀，敬請期待！

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