再度刷屏的“室温超导”靠谱不?不⽇⻅分晓

作者: 董唯元、谭莹

来源: 返朴

发布日期: 2023-03-09 11:52:20

美国罗彻斯特⼤学的Ranga Dias教授宣布在近环境压强下实现了室温超导,这一消息引起了学界和产业界的广泛关注。如果实验能被重复验证,这将是极具影响力的突破。此前的类似研究曾因质疑而被撤稿,新成果基于三元氢化物,具体为氮掺杂氢化镥,其结论需要其他实验组验证。学界对超导理论的建立非常期待,但目前还没有一个统一理论可以解释所有超导现象。

美国时间3⽉7⽇,在国际物理学界的盛会美国物理学会三⽉会议上,罗彻斯特⼤学的Ranga Dias教授宣布在近环境压强(近1万个⼤⽓压)下实现了室温超导。其报告的题⽬是:Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure。消息⼀出,迅速刷屏,不仅学界关⼼,产业界也殊为关⼼。

如若实验最终能重复验证,将是⼀个极具⼴泛影响的爆炸性突破。

昨天(3⽉8⽇),⼀则关于超导的消息刷遍全⽹,就连平⽇⾥热衷养⽣和美⻝的微信群都画⻛骤变开始热烈地关注远在美国拉斯维加斯举⾏的⼀场物理学术会议。在这场APS(美国物理学会)的年度会议上,罗切斯特⼤学的Ranga Dias教授⼜报告了惊⼈的最新成果:在1GPa压强下实现了零上21℃(294K)的室温超导!据现场传回的消息和画⾯,会场内外⼀度被挤得⽔泄不通⽽超过了安防要求,保安急得奋⼒驱赶⼈群。

为什么说“⼜”呢?早在28个⽉前的2020年10⽉,这位Ranga Dias教授和他的团队就在《⾃然》杂志上发表了在碳氢硫(C-H-S)中发现室温超导的成果。当时的成绩是,在267GPa的压强下实现15℃的超导。这⼀成果在当时就吸引了许多社会关注,我们也曾急吼吼地写了篇原理性的介绍。可惜2020年那篇论⽂后来受到许多质疑,最终在作者反对的情况下被期刊强⾏撤稿。

⽽这次的新成果是基于三元氢化物(N-Lu-H)的,具体说是氮掺杂氢化镥(nitrogen-doped lutetium hydride, NDLH),其结论最终是否能得到学术界的认可,需要其他实验组来重复检验。

在论⽂上线前,⼀位不便透露姓名的超导科学家A对《返朴》表示,直觉该结果“too good to be true. ”他称,以前就有⼈⽤传统的BCS理论预⾔过,但关键是材料很难实现,现在Ranga Dias魔术般做出来了。中国科学院物理研究所研究员孙⼒玲在接受《返朴》采访时表示:“值得注意的是,Dias报告中给出的样品照⽚的颜⾊为蓝⾊,与我们通常看到的超导体具有的⿊⾊和褐⾊等完全不同。

如果其颜⾊是样品的本⾊,说明即使将来其它研究组可以从实验上证实其超导电性,这种超导体也不应该是我们以前所知道的超导体。”

她说:“⼈们期待这件事情能够被其它更多的实验研究组所验证。就像在1987年的美国APS三⽉会议上铜氧化物超导体的发现和超导转变温度突破液氮温区的报告所掀起的热潮,使⼈们在很短的时间⾥,通过⼤量的实验研究对铜氧化物的超导电性有了确定的认识,这使得铜氧化物超导体的发现者缪勒和班诺兹当年就获得了诺⻉尔物理学奖。”

这次之所以⼗分轰动,是因为如果这次的实验被认可的话,那⽆疑将是⼀个极具商业价值的成果,其意义⽐2020年的那次乌⻰成果还重要得多。两年半之前的那个成果,即使是真实的,也需要270万个标准⼤⽓压的压强,这差不多接近地球中⼼处的压强,是现代⼯艺技术难以企及的条件。⽽Ranga Dias教授如今所宣称的结论,是在1万个标准⼤⽓压下实现室温超导,这就⼀下⼦把⼯艺难度⼤⼤降低了。

这仅相当于⻢⾥亚纳海沟处海⽔⾃然压强的10倍,或是地壳与地幔交界处的压强。

孙⼒玲说:“新报道的超导体在很低的压⼒下(1GPa)就可以获得,这个压⼒在商业化的实验设备上(通常<3GPa)都可以轻易实现,在实验技术上并没有壁垒。”在APS的报告会上,Ranga Dias教授本来并未透露太多实验细节,但北京时间3⽉8⽇晚间,该⼯作于Nature在线发布。

孙⼒玲说:“Dias教授在刚发表的Nature⽂章中给出了制备⽅法和⼤致的化学组分,因⽽其它研究组应该能够在短时间内就会对其实验结果的可靠与否加以证实。”中国科学院物理研究所研究员罗会仟也告诉《返朴》:“(论⽂)公布了很多实验数据,还有视频,⽽且条件很⼀般,很容易被重复,很快⻅分晓。”

如此友好的实验条件要求,令⼈不禁感觉假如能证实为真,分分钟就可以将其应⽤于各种⼯业乃⾄⽣活场景之中。难怪有许多原本不关⼼物理学的商界⼈⼠,都在第⼀时间认真打听这个成果的靠谱程度,有些商业⼤拿甚⾄还想恶补⼀下关于超导⽅⾯的理论知识。在外⼈看来,物理学是⻔⾮常讲究原理模型和理论计算的学问。理论物理学家们也经常提及“电⼦反常磁矩”这个⽼梗,来彰显物理学的精神所在。

这个物理量的理论预测值与实验测量值在⾄少12位有效数字上保持⼀致,是确认精度最⾼的常数。然⽽超导物理的研究现状,却很难体现这种荣光。事实上,与粒⼦物理相⽐,超导物理更像是⼀⻔⽞学。研究者通过纷繁混杂的朦胧线索,⼏乎像⼤海捞针⼀样尝试各种可能的材料。

⽬前所发现的各种具有超导电性的物质可谓五花⼋⻔,其中包括⾦属单质、含⾦属化合物、⾮⾦属单质、⾮⾦属化合物……许多物质在普通条件下就是完全绝缘的陶瓷,只有在极特殊的环境下才展现出超导特性。当然这也充分地说明,超导现象是⼀种普遍存在的特性,并不限于特定的元素或材料类型。

然⽽越是普遍存在的特性,其背后的基本原理往往隐藏得越深。⾃从1911年超导现象被⾸次发现之后,理论研究者就试图对这种神奇的现象做出理论解释。如今100多年过去了,物理学家们也确实提出了许多理论。可每个理论都只能解释⼀部分超导现象,⽬前还没有⼀个统⼀的理论可以解释所有的超导特性。我们只知道超导和超流⼀样,是量⼦效应在宏观世界的展现,但那些限定触发机制、⽅式和条件的底层要素,却始终难以捕捉。

如果想判断⼀个材料的可燃性,只需在计算机上简单计算⼀下化学键的结合能就直接做出判断,⽽不必真的⽤⽕柴去点燃它。这正是因为我们理解了“燃烧”这个特性的底层要素。⽽对超导⽽⾔,我们的理解程度还远未达到这种程度。其实整个学界也⾮常期盼超导理论的建⽴,这从诺奖的发放情况就可⻅⼀斑。

⼏乎每次超导研究的重要建树都会得到诺⻉尔奖委员会的格外⻘睐,⾄今已经有5次诺奖颁发给了超导领域,分别是1913年(超导现象⾸次发现)、1972(BCS理论)年、1973年(约瑟夫森效应)、1987年(陶瓷材料的超导现象)和2003年(超导和超流的新理论)。其中1972年三位获奖者中的John Bardeen是史上唯⼀获得过两次诺奖的物理学家,他在1956年因发明晶体管⽽获得诺奖。

要知道,就连爱因斯坦都只因解释光电效应拿过⼀次诺奖,他的狭义相对论和⼴义相对论都没再帮他拿过第⼆次。由此可⻅诺奖委员会是多么认可BCS理论的问世。然⽽即便像BCS理论这样⼀个已经写⼊教科书的理论,其实也只能解释⼀⼩部分已经发现的超导现象。有趣的是,专业⼈⼠⼝中超导现象被划分为“常规超导”和“⾮常规超导”两⼤类。⽽所谓⾮常规超导,就是指不能⽤BCS理论来解释的那些超导现象。

⽐如前⼏年曾经⼤热的⽯墨烯,就是典型的⾮常规超导。前述超导专家A教授说,如果此次的发现最终能被重复出来,验证为真,其理论解释还是传统的BCS,理论上并没有太多新的可做,难度在于如何实现材料。当被问及新兴的AI辅助设计材料是否能堪⼤任时,他表示难度很⼤,因为计算机有较⼤的局限性,好做的都是传统弱关联材料,这类材料的物理机制都清楚,相当于变⼀下参量,⽽对强关联材料,计算机⽆能为⼒。

在超导现象的探索过程中,理论研究者苦苦思索,⽽实验研究者靠着直觉、经验、创意、勇⽓、耐⼼和运⽓前⾏。《返朴》将持续关注此事的后续进展,并于明⽇继续邀请专业⼈⼠进⾏解读,敬请期待!

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