去年Nature“被”撤稿的课题组，又出“大新闻”

X-MOL注：2023年11月7日，Nature撤回“氮掺杂氢化镥”论文。点此阅读撤稿声明。

美国物理学会（APS）今年3月在拉斯维加斯举行的年会上，许多物理学家挤满了一个略显狭窄的会议室，直到主持人维持秩序，要求一些人离开，会议才得以顺利进行。这场引人注目的报告来自罗彻斯特大学Ranga Dias教授，他们的成果，又一次“震动”了科研界。

APS会议上，Ranga Dias教授讲报告

他们宣称，一种氮掺杂氢化镥材料，在1 GPa的压强下，表现出室温（20 °C）超导特性。相关论文于3月9日正式发表在Nature 杂志上。不过，这一结果引发如此关注的另一原因是，该团队2020年发表的登上Nature封面的氢化物“室温超导”论文，就在去年9月才被Nature强制撤稿。说是强制撤稿，是因为“所有对撤稿发表明确意见的作者都不同意撤稿”，但Nature 编委会基于该文中存在的“关键数据处理问题”还是撤下了这篇论文（点击阅读详细）。

自超导现象被发现以来，室温超导一直是人类追求的梦想。一个多世纪前，Kamerlingh Onnes首次观察到金属汞在4.2 K的低温下，电阻突然降为零，经过再三确认，他最终确定，这不是实验上的误差，而是一种真实存在的现象，他也获得1913年诺贝尔物理学奖 ^[1]。不过，超导体的临界温度（T_c）通常很低，这限制了超导体的应用。一百多年间，物理学家对高T_c超导体的探索从未停止，却一直举步维艰。

超导百年路。图片来源于网络

1957年，巴丁（John Bardeen）、库珀（Leon N. Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）提出了著名的BCS理论，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，在晶格中可以无损耗的运动，形成超导电流 ^[2]。他们三人因此获得1972年诺贝尔物理学奖。不过这一理论并不能成功地解释随后出现的第二类超导，或高温超导的现象。1986年贝德诺尔茨（Georg J. Bednorz）和米勒（Karl Müller）意外地发现了铜氧体系陶瓷材料的超导性，临界温度提高至33 K ^[3]，刷新了当时的纪录。随后，这一纪录被迅速地提高至~133 K ^[4]，二人也因此获得1987年诺贝尔物理学奖。

近十年间，高温超导体的研究则主要集中在氢化物上。在数百GPa压力下，稀土氢化物LaH₁₀的临界超导转变温度甚至接近了水的冰点 ^[5]。2020年，Ranga Dias团队则再一次刷新纪录，在270 GPa的极端高压下，T_c可以达到~15 °C ^[6]。不过，Dias团队这篇论文自发表之日起，就争论不断，这也是前文中提到的那篇被Nature 强制撤稿的论文（前情故事，大家可点击这里跳转）。尽管论文“被”撤稿，然而Ranga Dias并不认可这一决定，他曾在2022年夏天的学术会议上声称，他们发现了具有更完美超导性的新型氢化物材料。果然，近几日这个故事迎来了新的“续集”。

图片来源：APS会议官网 ^[7]

相比那篇被撤稿的论文，Ranga Dias课题组这次的报道的氮掺杂氢化镥（Lu-N-H）超导性能更胜一筹，压强条件直接从270 GPa降低到1 GPa，临界温度也从15 °C提高至20 °C。虽然在现实场景中，1 GPa依旧难以实现，但如果实验结果得到证实，也是在室温超导领域向前迈出了一大步。

随着压力的变化，样品也经历了不同阶段，当它被压缩至超导状态时，颜色从蓝色变为粉红色，随着样品被继续压缩，再次变为非超导状态，颜色则变为更鲜艳的红色。

Lu-N-H材料的超导特性及高压相变。图片来源：Nature

在临界温度下，Lu-N-H材料的电阻急剧下降。四探针法电阻测量也显示，高于转变温度时，材料表现为线性的V–I特性，而在超导状态下，则显示出极低的电压，以及非线性特点。

Lu-N-H材料的温度依赖性及V–I曲线。图片来源：Nature

磁化率是证明超导材料的一项关键数据，超导体越过临界温度后，对外加磁场表现出排斥现象，即迈斯纳效应。导致上次撤稿最直接的原因，也是这个“磁化率”数据的处理方法。研究者这次使用振动样品磁强计（VSM）方法，在综合物性测试系统（PPMS）中测量了不同温度下磁矩和M–H曲线的温度依赖性，证实了超导相的存在。

磁化率测试。图片来源：Nature

氢的高振动频率和来自氮的额外电荷载流子或许都是高温超导状态的形成原因。元素分析显示，Lu-N-H材料中氮掺杂的重量百分比为0.8-0.9%。XRD和拉曼光谱测试也表明，样品中存在两种不同的氢化物，且这两种化合物都具有面心立方（fcc）结构，但氢和氮的含量不同，其中主要相可能是LuH_3-δN_ε（92.25%），而次要相可能是LuN_1-δH_ε（7.29%）以及少量的Lu₂O₃（0.46%）。如果氮掺杂确实是超导状态形成的主要原因之一，那么它对高转变温度的作用机理还有待确定。

Lu-N-H材料的结构分析。图片来源：Nature

“与碳一样，氮具有刚性原子结构，可用于在材料内形成更稳定的笼状晶格，这种结构为在较低压力下发生超导性提供了稳定性”，Ranga Dias说，镥看起来也是“一个值得尝试的好候选物”，“其f轨道14个电子完全填满，可抑制声子软化并增强在环境温度下发生超导现象所需的电子-声子耦合” ^[8]。无论如何，在室温超导材料的前景都是非常诱人的，超导材料可以制造强大的磁体，例如用于磁共振成像（MRI），目前标准MRI系统仍然需要昂贵的制冷系统 ^[9]。

Ranga Dias现场报告视频。视频来源：Youtube ^[10]

作为吃瓜群众，最喜闻乐见的，除了学术领域的重大突破，还有科学家之间为了真理的“辩论”。Ranga Dias这枚“重磅炸弹”刚一抛出，不出意料地，已经有学者再次对实验数据提出了质疑。在上一次Nature 撤稿事件中，反对最激烈的学者之一，Jorge Hirsch博士一贯的观点“这些高压材料中不可能存在超导性，因为氢不可能是超导体”。据说，Hirsch也“气势汹汹”地出现在了会场，手上缠着绷带。当然，现场并未出现打架斗殴事件。

Jorge Hirsch出现在会场（站立者），面前为Ranga Dias（端坐者）。图片来源于网络

对于这次新论文的刊登，Nature 杂志表示“论文被撤回并不会自动取消作者提交新手稿的资格，所有提交的手稿都是根据其科学的质量和及时性独立考虑的” ^[11]。Ranga Dias团队这次的实验结果究竟是超导物理的里程碑，还是又一场学术界“乌龙”，还有待科学家进一步研究和讨论，以及实验是否具有可重复性。不知道故事是否会迎来下一个反转呢？还是让子弹再飞一会吧。

Ranga Dias团队介绍此项工作。图片来源：罗彻斯特大学 ^[8]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride

Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan, Dylan Durkee, Nugzari Khalvashi-Sutter, Sasanka Munasinghe, Sachith E. Dissanayake, Keith V. Lawler, Ashkan Salamat & Ranga P. Dias

Nature, 2023, 615, 244-250. DOI: 10.1038/s41586-023-05742-0

参考文献：

[1] D. Delft & P. Kes, The discovery of superconductivity. Phys. Today 2010, 63, 38. DOI: 10.1063/1.3490499

[2] J. Bardeen, et al., Phys. Rev. 1957, 108, 1175.

[3] J. G. Bednorz & K. A. Müller, Possible high T_c superconductivity in the Ba−La−Cu−O system. Z. Physik B - Condensed Matter 1986, 64, 189-193. DOI: 10.1007/BF01303701

[4] A. Schilling, et al. Superconductivity above 130 K in the Hg–Ba–Ca–Cu–O system. Nature 1993, 363, 56-58.

[5] A. P. Drozdov, et al. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures. Nature 2019, 569, 528-531.

[6] E. Snider, et al. RETRACTED ARTICLE: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 2020, 586, 373-377. DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z

[7] APS March meeting

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

[8] Viable superconducting material created in Rochester lab

https://www.rochester.edu/newscenter/highest-temperature-superconducting-materials-metals-reddmatter-551382/ 

[9] Nature News: Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain. Nature 2023, 615, 221-222. DOI: 10.1038/d41586-023-00599-9

[10] APS March 23: Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure

https://www.youtube.com/watch?v=XhhvOMuLF94 

[11] New Room-Temperature Superconductor Offers Tantalizing Possibilities

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

（本文由小希供稿）