若最终能够实现应用，我们就不用再担心电池没电了。

　　凝聚态物理学是当今物理最大、最重要的分支学科之一，凝聚态物理的「圣杯」之一就是高温超导。

　　本周二下午，在拉斯维加斯举行的美国物理学会（APS March Meeting）三月年度会议上，罗切斯特大学的物理学家 Ranga Dias 发表了一场座无虚席的演讲，他宣布他和他的团队已经实现了该领域的百年梦想：一种超导体，能在室温和接近常压的环境下工作。

　　如果谁能在室温条件下实现超导，就可以说开启了一场新的技术革命：人们对于演讲的兴趣极其强烈，以至于安保人员在演讲开始前 15 分钟就开始阻止更多人进入人满为患的房间。在 Dias 开始讲话前不久，还可以听到他们在将好奇的旁观者赶走。

　　

　　Dias 等人的研究今天发表在科学顶刊《自然》杂志上，该研究成果似乎表明，一种传统导体 —— 一种由氢、氮和稀土金属镥组成的固体 —— 被转化为一种完美无瑕的材料，能够以完美的效率导电。

　　

　　此前，人们只有在极冷的温度或超高压力下才能观察到超导性 —— 这些条件使实验材料无法用于长期、常规的应用，例如无损电力传输、悬浮高速列车和平价医疗影像设备。

　　而在新研究中，人们锻造的化合物成功在 21 摄氏度（69.8 华氏度，294K）和大约 1 吉帕的压力下无电阻地传导电流。这仍然是一个很大的压力 —— 大约是马里亚纳海沟最深处压力的 10 倍 —— 但它比以前使用类似材料进行的实验所需的压力低 100 多倍。

　　

　　近百年科学家们在超导材料上的探索路程。

　　佛罗里达大学物理学家 James Hamlin 评价说：「如果这是真的，那么他们的研究完全是革命性的。室温超导是人们一个世纪以来的梦想。现有的超导体需要昂贵而笨重的冷却系统来无摩擦地导电。室温超导体的诞生将使得电网、计算机芯片以及磁悬浮列车、核聚变发电所需的超强导体更加高效。」

　　21℃，实现室温超导

　　这项研究中所涉及的超导形式要求电子相互耦合，形成所谓的库珀对（库珀对是美国物理学家 Leon Cooper 于 1956 年首次提出的描述在低温下一对电子或其他费米子以某一方式束缚在一起的理论）。促进库珀对形成的一个因素是与这些电子相关的原子核之间的高频振动（称为声子）。这在轻核中更容易安排，而氢是周围最轻的。因此，寻找将更多的氢塞入化学品的方法被认为是生产更高温度的超导体的可行途径。

　　然而，要做到这一点，最可靠的方法就是承受极大的压力。这些压力可以促使氢气进入金属的晶体结构，或者形成在较低压力下不稳定的富氢化学品。这两种方法都产生了具有非常高的临界温度的化学品，这是它们支持超导性的最高点。然而，虽然这些已经接近室温，但所需的压力是多个吉帕斯卡（Gigapascal）—— 每个吉帕斯卡是海平面大气压力的近 1 万倍。

　　从本质上讲，这相当于用不切实际的温度换取不切实际的压力。

　　然而，我们希望的是常温和常压，我们可以利用这些化学品来确定产生这种富氢超导性的一般原则，然后利用这些原则来确定在更容易维持的条件下显示类似行为的其他化学品。

　　研究小组将注意力集中在镥（Lutetium，原子序数71）上，因为它的电子轨道的占用应该会提供更多的电子，这些电子可能参与形成库珀对，使超导更容易实现。该研究还添加了微量的氮，以通过掺杂材料使结构更稳定，从而有可能降低所需的压力。

　　很明显，在进行测量之前，镥 / 氮 / 氢的混合物发生了一些变化。在环境条件下，添加这两种气体会使镥变蓝，这可能是由于氢渗入了金属。但随着压力增加到数千个大气压，混合物变成了戏剧性的粉红色，结果证明这与混合物变成金属有关。继续将压力增加到超过 30000 倍大气压，它失去了金属特性并变成了更深的红色。

　　

　　近环境下镥 - 氮 - 氢的超导性压力

　　从 3000 到 30000 倍大气压范围内，超导性是有可能的。因此，研究人员在这个压力范围内进行测试，从而帮助找到支持最高临界温度的压力。该研究发现温度为 294 K，大约为 21°C，和室温差不多，这种材料似乎失去了对电流的阻力，前提是气压峰值大约是大气压的 10000 倍。

　　此外，超导性也改变了材料的磁性，并且论文中的大部分内容都讨论了测量样品的磁性。其实研究样品磁性并不是一件容易的事，考虑到样品会非常的小，而且它们往往被夹在所有需要在极端压力下粉碎样品的硬件之间。

　　为了弄清这种材料是什么，科学家们做了大量的工作。几乎可以肯定的是，它包含一些融入到金属中的氢和氮，但目前还不清楚有多少，因为任何多余的两种气体都可以简单地从样品中排除。研究人员试图对它进行晶体学研究，但结果有些含糊不清。氢（原子量为 1）的信号被镥（原子量为 175）的信号所淹没，而且氢有可能在该材料中移动。

　　因此，尽管他们确定了氢可能在材料中的位置，但并不清楚这些位置有多少被实际占据。而这将使从这种材料的行为中提取更大的原则成为一种挑战。

　　撤稿疑云

　　

　　Ranga Dias。图源：J. Adam Fenster/University of Rochester

　　鉴于 Ranga Dias 研究小组最近一次撤稿事件，许多物理学家表示不会再轻易相信。Hamlin 说：「我认为他们必须做一些真正的工作，并真正开放，人们才会相信它。」

　　加州大学圣地亚哥分校的物理学家 Jorge Hirsch（他也是 H-index 发明者），也是该团队早期工作的批评者，甚至表达得更加直接：「我对新结果比较怀疑，因为我不相信这些作者。」

　　值得一提的是，Jorge Hirsch 这次 APS March Meeting 的报告和 Ranga Dias 被安排在同一个会场，前后脚上台，会方可谓凭空增添了对峙的气氛。

　　

　　Jorge Hirsch（站立者）与 Ranga Dias。图片来自知乎@芝了，https://www.zhihu.com/question/588302961

　　2020 年，由物理学家 Ranga Dias 领导的研究小组报告了碳、硫和氢（CSH）的微小斑点中的超导性，一度引起轰动，该小组通过将两颗金刚石尖端之间的材料挤压到数百万倍的大气压强来实现。科学家们此前已经制造出了其他富含氢的超导体，被称为氢化物，但它们必须被冷却到 250K（-23℃）或更低。CSH 在 287K 的温度下进行超导，即葡萄酒冰箱的温度。

　　当时，《科学》杂志对这项研究的报道标题是「终于，室温超导实现了」。

　　

　　但是其他研究人员无法复现 CSH 的结果，并抱怨该研究的配方含糊不清且不完整。其他研究人员则发现该小组测量材料磁性行为的方式有问题，而磁性行为是超导性的一个关键标志。

　　一年后，Dias 和他经常合作的内华达大学拉斯维加斯分校物理学家 Ashkan Salamat 以 149 页文件的形式发布了原始数据，详细介绍了一种不寻常的、复杂的消除背景磁干扰的方法。这种方法与他们在原始论文中描述的程序不一致。

　　最终，在所有作者的反对下，《自然》杂志于 2022 年 9 月撤回了这篇论文。

　　那么这一次，其他实验室是否能够复制这种材料并确认其超导性？

　　Hamlin 说，虽然世界上只有少数几个小组能够在令人难以置信的金刚石高压砧下工作，以看到 CSH 中的超导性，但大概有几十个实验室能够在较低的镥基材料的压力体系中工作。Dias 说，过去几个月他的实验室一直在研究一种方法，将金刚石砧室完全从工艺中移除，这可以进一步加快确认这一发现。

　　为了让其他实验室完全复制这些结果，该小组必须愿意分享整个原始数据集以及详细的样品制备方法，或者将他们的材料样品发送给其他实验室进行测试。然而，外部访问可能达不到社区的希望。Dias 和 Salamat 成立了一家创业公司 Unearthly Materials，该公司已经从包括 Spotify 和 OpenAI 的 CEO 等投资者处筹集了超过 2000 万美元的资金。他们最近还申请了关于氢化镥的专利，这将阻止他们邮寄样品。

　　「我们对如何制作我们的样品有明确、详细的说明，」Dias 说。「考虑到我们工艺的专有性和存在的知识产权，我们不打算分发这种材料。」

【相关讯息】此前Nature论文曾被撤稿，今又宣布争议性超导体，美国学者称在室温条件下发现三元氢化物的超导性

当地时间 2023 年 3 月 7 日，在美国内华达州拉斯维加斯举办的物理学会年会上，美国罗彻斯特大学助理教授郎加·迪亚斯（Ranga Dias）发表了主题为“极端条件下的物质:静态超导实验”的演讲，并宣称他和团队创造出一种能在室温和近常压下工作的超导体。

这是一场座无虚席的演讲，在开场前的 15 分钟就已经人满为患，安保人员只好出面拦阻更多想进去的观众。

据迪亚斯介绍，这是一种由氢、氮和镥组成的新材料，它能在室温和不太高的压力环境条件下表现出超导性。

在相关实验里，他和团队将纯金属镥和氢气、氮气放置在一个名为钻石砧的能够产生高压的装置中（钻石砧的核心是两颗对准的钻石，在两颗钻石的狭缝中能产生极高的压力），然后通过改变压力，来测量新材料中的电阻。在 294 开尔文（Kelvins，K）约 21℃ 的温度条件下，该材料表现出了超导性。

演讲中迪亚斯表示：“我们在碳质硫氢化物中发现的室温超导性表明，三元或更大的体系可能是实现更高转变温度和在室温条件下实现超导性的关键。”“对于实际应用来说，这意味着一种新型材料体系的诞生。”

迪亚斯在论文中表示，他制备了一种由氢、氮和稀土金属镥反应所得的固体材料，能以完美的效率导电。在 21℃ 和大约 1Gpa（1GPa=10 Kbar）的压力下，这种新合成的化合物能以零电阻的形式传导电流。

事实上，1GPa 仍然是一个很大的压力，大约是马里亚纳海沟最深处压力的 10 倍。即便如此，相比此前使用类似材料所进行的实验，迪亚斯实验里的所需压力远低于他们（低出 100 多倍），也远低于目前主流室温超导体所需的数百万个大气压。

研究中，迪亚斯将薄镥箔装入钻石砧中，并注入氢气和氮气的混合物。通过将压力提高到 2GPa（大气压的近 20000 倍），并在 200℃ 下将混合物加热 3 天，腔体中形成了亮蓝色的晶体，即使在压力下降之后，新合成的物质仍能保持晶态。

当把压力调低至 0.3GPa 时，随着电阻降为零，蓝色晶体变成了粉红色。在 1GPa 的压力下，该物质可以达到 294K 的峰值超导温度。磁测量结果表明，这些样品可以排斥外部施加的磁场，而这一现象正是超导体的标志（迈斯纳效应）。

对于这一成果，上海交大电气工程系赵跃教授表示：“富氢高温超导体（氢金属化合物）的压力一般都在 150GPa 左右，人们在试图降低氢化物高温超导所需压力，所以降到 1GPa 已经算非常低了。但是，1GPa 的压力依然无法用到实际应用场景里，甚至比低温实现的难度还大。”赵跃同时指出：“这个实验结果对于凝聚态物理的意义远大于超导实用技术。新型超导材料能否实用化，还要看其在磁场下的载流能力以及其稳定性。因此，该类新超导材料要想走出实验室依然有很长的路要走。”

著名超导与量子材料专家、澳大利亚 Wollongong 大学超导与电子材料所所长、澳大利亚国家未来低能电子技术中心分部主任王晓临表示：“虽然发现室温超导体是迟早的事，但我还是跟同行一样激动，急切希望重复此次发现。室温超导体会带来多方面的变革。2023 年将会是不寻常的一年。我祝贺这一发现背后的科学家，并期待着室温超导领域的持续进展。”

另据悉，目前只有在极低温度或压力之下才能观察到超导性，已有的超导体需要昂贵且笨重的冷却系统才能实现零电阻导电。由于所需要的条件过于苛刻，导致这些材料无法被投入长期性应用场景，比如无损电力线、悬浮高速列车和医疗成像设备等。

而本次的化合物是在高压-高温条件下合成的，在被完全回收之后，可以沿着压缩路径检测其超导性能。如果这是真的，那么这种能在室温条件下工作的超导体材料，很有可能意味着环境超导应用技术的曙光已经到来，也很有希望开启超灵敏、高效率的革命性电子产品的时代。

对于论文发表的过程，担任通讯作者的迪亚斯自称经历了五轮审查。即便如此，也并非所有人都认可这一成果。业界同行认为，迪亚斯应该尽一切努力帮助外部科研团队重现实验。

但是迪亚斯表示，他参与创办的公司 Unearthly Materials 正尝试将这种新型氢化物进行商业化，他告诉媒体：“考虑到我们流程的专有性质和现有的知识产权，我们不会分发这些材料。”

本次论文的另一位作者阿什坎·萨拉马特（Ashkan Salamat），是美国内华达大学拉斯维加斯分校的教授，他和迪亚斯联合创办了 Unearthly Materials 公司。萨拉马特称：“这是有史以来对氢化物最详细的研究。”同时，他说样品的原始数据可以在网上找到，还表示关于共享样本论文里也提供了详细的配方，因此“人们可以继续自己做。”

作为同行的美国佛罗里达大学副教授詹姆斯·哈姆林（James Hamlin）告诉媒体：“如果结果被证明是正确的，这可能是超导历史上最大的突破。这将是一个惊天动地、开创性、非常令人兴奋的发现。”他继续说道：“我认为他们必须做一些实际工作，并真正开放地让人们相信这一点。”

而美国加州大学圣地亚哥分校的物理学教授豪尔赫·爱德华多·赫希（Jorge Eduardo Hirsch）则说：“我怀疑（这个新结果），因为我不信任这些作者。”而且在前面提到的会议上，赫希被安排在迪亚斯之后发言，上台之后赫希对迪亚斯的新成果当面表示质疑。

“物理学的圣杯”——超导

讲到这里，先和大家说下什么是超导。超导，被誉为“物理学的圣杯”，指的是导体在一定的低温条件下，电流中的电阻降低为零的状态。事实上，许多材料都能成为超导体，即无阻力地传输电力，前提是要把它们冷却到非常低的温度。一些超导体在较温暖的条件下工作，但它们必须被挤压。由于其需要满足一定的温度条件，因此关于它的应用尚未达到能够带来颠覆性改变的水平。

关于超导的研究历史，要追溯到一个世纪之前。1911 年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在非常低的温度下，先后测量了汞、锡、铅的电导率，并率先发现浸在液氦中的固态汞丝在 4.2K 下呈现出了超导性。

后来又有研究表明，许多类别的材料都具有超导性，比如一些金属合金、钇钡铜氧化合物等。自此，找到能在室温条件下实现超导性的材料，成为学界孜孜不倦追求的目标。

1968 年，英国固态物理学家尼尔·阿什克罗夫特（Neil Ashcroft）发现，氢元素在高压下金属化时会变成高温超导体。他认为，氢占主导地位的化合物是最有可能实现金属性和超导性的候选材料。

那么，为何此次发在 Nature 上的新论文，也会招来不同的业内看法？很大程度上是因为该团队此前另一篇 Nature 论文所引起的撤稿风波。而这篇被撤稿的论文，一度被誉为是室温超导“里程碑”成果。

“里程碑”式论文遭遇撤稿，“数据不明”的室温超导研究引发巨大争议

2020 年 10 月，迪亚斯团队在 Nature 发表论文称他们首次实现了室温超导。这篇已被撤稿的论文题目为《碳质硫氢化物的室温超导性》（Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride），其报道了碳质硫氢化物体系中的超导性，在 267±10kMPa 下实现的最大超导转变温度为 15 ℃ [2]。

迪亚斯在这篇被撤稿的论文中提到，在钻石砧的 140 至 275 Gpa 的压力范围内观察到了超导状态，其在 220Gpa 以上的转变温度是急剧上升的。并且，在三元体系中引入化学调谐可以在较低压力下保持室温超导性能。

起初，这篇论文在投递以后，很快就得到了 Nature 的接收和发表，甚至还在较短时间内获得了大量读者的关注。

好景不长，因论文中的数据遭到学术界的质疑，很快便引发了巨大的争议。后来，以迪亚斯为主的作者团队更正了论文并提供了相关原始数据，但质疑之声仍未止息。

比如，前文的赫希教授就强烈表示该论文中的数据很有可能是“捏造”的，他甚至还在预印本平台 arXiv 和 Physica C 上发表了质疑的文章。此外，还有很多物理学家也对这篇论文表示怀疑。

即便如此，作为论文作者的迪亚斯依然对所有质疑表示坚决反对。他告诉媒体：“我们坚持自己的工作，这已经得到了实验和理论的验证。”同样担任被撤稿论文作者的阿什坎·萨拉马特也表示：“我们对 Nature 编委会的决策感到困惑和失望。”

不过，经过一番调查之后，2022 年 Nature 还是撤回了这篇论文。需要说明的是，这次撤稿显得有些不同寻常，因为 Nature 在论文九位作者联合反对的情况下，坚决执行了撤稿行动。面对这一结果，一直持质疑态度的赫希表示：“撤稿还远远不够，这掩盖了科学不端行为的证据。”

而最近，迪亚斯向 Nature 提交了一份新手稿，他在实验中重复了碳质硫氢化物里的高温超导性，他坚称这将消除过去的指控。迪亚斯还表示，他与 Nature 分享了他所有的原始数据。

因此，对于迪亚斯此次的新成果来说，不管在接下来会引发怎样的争议，也不管是真是假，都要秉持“让子弹飞一会儿”的观望态度。

最后，如果这种新型的室温超导体是真的，它将改变几乎所有使用到电能的技术，并将为电子设备、磁悬浮列车和核聚变发电厂带来全新的可能性。如前所述，只要能实现室温超导体必将带来多方面的变革。

参考资料：

1.Dasenbrock-Gammon, N., Snider, E., McBride, R. et al. Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature 615, 244–250（2023）. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05742-0

2.Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R. et al. RETRACTED ARTICLE：Room-temerature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 586, 373–377（2020）. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z

https://www.sciencenews.org/article/superconductor-room-temperature-scrutiny

https://labsites.rochester.edu/dias/

https://en.wikipedia.org/wiki/Neil_Ashcroft

https://meetings.aps.org/Meeting/MAR23/Session/K20.2

https://www.science.org/content/article/revolutionary-blue-crystal-resurrects-hope-room-temperature-superconductivity

https://www.quantamagazine.org/room-temperature-superconductor-discovery-meets-with-resistance-20230308/

https://www.nytimes.com/2023/03/08/science/room-temperature-superconductor-ranga-dias.html