核心要點(diǎn)

1Ranga Dias團(tuán)隊(duì)的文章在認(rèn)定超導(dǎo)時(shí)，在數(shù)據(jù)處理過程中有些不規(guī)范操作，尤其是在確認(rèn)超導(dǎo)方面，這樣做是不合適的，也不能被接受。 2實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)相當(dāng)于讓電子系統(tǒng)的微觀量子相干現(xiàn)象走進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界，十分重要。 3超導(dǎo)在電力、能源、國防、醫(yī)療及大科學(xué)裝置等領(lǐng)域均有應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)可以大大降低能源損耗和運(yùn)營成本，未來前景廣闊。

北京時(shí)間3月8日，羅徹斯特大學(xué)的Ranga Dias教授在美國物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議上宣布，在近環(huán)境壓強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。

一星期后，南京大學(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心主任聞海虎教授團(tuán)隊(duì)提交一篇新論文，直接推翻了Dias的研究結(jié)論。

(資料圖片僅供參考)

全球熱議的“室溫超導(dǎo)”新突破或已被光速證偽，我們距離室溫超導(dǎo)究竟還有多遠(yuǎn)？

特約主持：

子乾 中科院高能物理所博士

對(duì)話嘉賓：

聞海虎 南京大學(xué)物理學(xué)院教授，南京大學(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心主任

季燕江 前北京科技大學(xué)物理系教師

一、室溫超導(dǎo)新發(fā)現(xiàn)引發(fā)巨大反響

子乾：為什么Ranga Dias所發(fā)布的論文會(huì)引發(fā)如此轟動(dòng)？

聞海虎：1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體以來，超導(dǎo)已有112年學(xué)科發(fā)展歷史，它是描述眾多電子發(fā)生宏觀量子相干性的重要現(xiàn)象。電阻在有限溫度下瞬間變成0，為超導(dǎo)體帶來很多電磁方面的奇妙特性，因此即使發(fā)現(xiàn)已過百年，仍有蓬勃的學(xué)科生命力，每次重要進(jìn)展都能吸引很多關(guān)注，室溫超導(dǎo)就是研究焦點(diǎn)之一。

超導(dǎo)態(tài)沒有電阻，其他方面性能也很奇異，但實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)需要降到一定的溫度，有時(shí)候還需要加一定的壓強(qiáng)。若能實(shí)現(xiàn)常壓或低壓下的室溫超導(dǎo)，將推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的重大發(fā)展，相關(guān)材料使用成本將大大降低，極大方便我們的生活。Dias教授稱在1GPa壓強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)了零上21℃（294K）的室溫超導(dǎo)，這無疑是科學(xué)界的爆炸新聞。

季燕江：上世紀(jì)80年代末，高溫超導(dǎo)銅氧化物剛剛問世的時(shí)候也有過類似的盛況，甚至更厲害。最早，金屬超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（編者注：某些物質(zhì)在溫度低于某一值 Tc 時(shí)電阻率突然變?yōu)?，這一溫度叫超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度）很低，并且一直沒有顯著地提升，此外根據(jù)超導(dǎo)的BCS理論（編者注：BCS理論即解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論，該理論以其發(fā)明者約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·施里弗的名字首字母命名），Tc不會(huì)超過40K（編者注：K，熱力學(xué)溫度，40K=-233.15°C）。高溫超導(dǎo)銅氧化物的出現(xiàn)，打破了這一限制，Tc從低于40K發(fā)展到超過液氮溫區(qū)，這讓學(xué)界思考是否會(huì)有超越BCS機(jī)制的超導(dǎo)體存在。

Bardeen、Cooper和Schrieffer（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

量子現(xiàn)象，比如隧道效應(yīng)、量子糾纏等多存在于微觀、低溫的環(huán)境中。而近常壓的室溫超導(dǎo)，意味著我們能夠在接近日常的條件下觀察到一種量子現(xiàn)象，好比說“穿墻而過”這種本該僅出現(xiàn)于微觀世界中的量子現(xiàn)象來到了我們的宏觀日常世界，這是非常震撼的。

子乾：論文被《Nature》接受意味著什么？論文從想法到被全球頂級(jí)雜志接受要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)？

聞海虎：研究者需要先有大致想法，接著設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如果沒有所需的材料和樣品還需要合成材料后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)超越現(xiàn)有知識(shí)或認(rèn)識(shí)的新結(jié)果，需要更換樣品后進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保實(shí)驗(yàn)可重復(fù)，之后寫文章并投稿，雜志社都會(huì)請(qǐng)?jiān)u審人審稿，有些直接拒稿，有些提出修改意見，讓作者進(jìn)行修改直至評(píng)審人滿意后予以發(fā)表。

通常情況下審稿發(fā)表還是很嚴(yán)格的，主要參考評(píng)審人意見，出版商也一定要遵循學(xué)術(shù)規(guī)范，不能在利益驅(qū)動(dòng)下發(fā)表虛假或?qū)嶒?yàn)結(jié)果不可重復(fù)的文章。

季燕江：論文在雜志的發(fā)表大致涉及三方，即：作者、出版商和審稿人。科學(xué)出版在早期沒有這么復(fù)雜，比如沒有明確的審稿過程和審稿人制度，然后隨著科學(xué)研究規(guī)模的擴(kuò)大，在上世紀(jì)30年代逐漸演化為“不盲從于權(quán)威”的審稿制度。我也注意到在科學(xué)出版中有鼓勵(lì)發(fā)表的趨勢，即只要數(shù)據(jù)足夠扎實(shí)、文章邏輯成立，具備一定創(chuàng)新性，總能找到適合出版的期刊，即科學(xué)出版機(jī)構(gòu)還是傾向于把更多科學(xué)工作呈現(xiàn)給大家。

Ranga Dias團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表論文（圖源：Nature網(wǎng)站）

子乾：如何評(píng)價(jià)Ranga Dias的科學(xué)工作？

聞海虎：Dias一直在做高溫超導(dǎo)，主要工作有三件。

第一件是關(guān)于金屬氫的工作，這件事情可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代末的“金屬氫”理論，預(yù)言在極高壓下把氫壓成金屬的話，內(nèi)部聲子振動(dòng)及電聲耦合等相互作用可以很強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致室溫超導(dǎo)。Dias及其合作者稱壓強(qiáng)到400萬大氣壓左右時(shí)看到了金屬氫態(tài)，測定光學(xué)性質(zhì)后有少量峰達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，他們將該發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)》雜志（Science）上。由于實(shí)驗(yàn)要求的壓力太高，沒有幾個(gè)組能重復(fù)，Dias及其同事過了一段時(shí)間后聲稱金屬態(tài)氫“消失了”，這項(xiàng)工作因此也就就不了了之了，因?yàn)橹貜?fù)起來也太困難。

第二件是他2020年發(fā)表的碳?xì)淞蛟诟邏合聦?shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的進(jìn)展，發(fā)表在《自然》雜志（Nature），但其他實(shí)驗(yàn)組一直沒能重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)，一些學(xué)者理論計(jì)算后也認(rèn)為碳?xì)淞蚍旁谝黄鸷茈y形成固態(tài)結(jié)構(gòu)，因此Dias備受質(zhì)疑，并因?qū)嶒?yàn)無法重復(fù)而被撤稿。

第三件工作就是最近的室溫超導(dǎo)了。我們一般不會(huì)因?yàn)閷W(xué)術(shù)圈里流傳的一些事情對(duì)他的最新發(fā)現(xiàn)有預(yù)設(shè)觀點(diǎn)或態(tài)度，畢竟如果是真實(shí)的低壓或常壓的常溫超導(dǎo)，那真的是很重要的發(fā)現(xiàn)。所以大家都很認(rèn)真地對(duì)待這一發(fā)現(xiàn)，結(jié)果后來發(fā)現(xiàn)文章中還是有很多可疑之處。

季燕江：據(jù)說Dias的博士論文里存在大段抄襲，這很難讓人理解。他在哈佛期間做的金屬氫的工作很難，加的壓強(qiáng)基本上到了目前的極限，所以他說金剛石壓爆、樣品消失還是可以理解的，不過他講樣品的光學(xué)性質(zhì)作為金屬氫存在的證據(jù)還是挺主觀的。卡爾·薩根說“非凡的斷言，需要非凡的證據(jù)”，Dias給出的證據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能讓人信服。

子乾：在看到Dias新發(fā)現(xiàn)的新聞和具體結(jié)果時(shí)，各位第一瞬間是什么感受？

聞海虎：美國時(shí)間3月7日Dias在美國物理學(xué)會(huì)的春季會(huì)議上面做報(bào)告，迅即我們就看見了報(bào)告視頻以及一些結(jié)果的圖片，我第一眼看到Dias的結(jié)果時(shí)就非常震驚。在294K左右（室溫附近）時(shí)電阻迅速下降到0，抗磁信號(hào)也很好，還給出了比熱數(shù)據(jù)，我認(rèn)為這個(gè)發(fā)現(xiàn)太重要了，立刻準(zhǔn)備進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

Ranga Dias在美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議報(bào)告（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

3月8日，Dias團(tuán)隊(duì)的文章出來后我們發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展數(shù)據(jù)部分和前面正文數(shù)據(jù)不太一樣，做了些“處理”，后續(xù)也有學(xué)者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)Dias團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)處理行為，而至少其中的部分處理在科學(xué)規(guī)范上講，尤其是定義超導(dǎo)方面是不太合適的。文章的正文在物理邏輯下必須與原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，定義超導(dǎo)則更嚴(yán)格。比如說電阻，我們通常測超導(dǎo)體電阻采用標(biāo)準(zhǔn)的四電極引線法，他的也是，在低溫下電阻只有“是0”或“不是0”兩種可能，只有是零才能判斷超導(dǎo)，否則不能判斷超導(dǎo)態(tài)。

從Dias的原始數(shù)據(jù)圖可以看出來電阻在降溫過程中緩變，但在擬合數(shù)據(jù)時(shí)他們從原始信號(hào)中減去背景信號(hào)，即將低溫端擬合成一個(gè)函數(shù)，然后減去，那自然能處理出一個(gè)所謂“零電阻”狀態(tài)，其實(shí)是無法判斷超導(dǎo)態(tài)的，不然所有金屬都能“變成超導(dǎo)體”了，我們絕對(duì)不能接受這種處理。包括磁信號(hào)，我們后來分析，有時(shí)候看見的一點(diǎn)所謂抗磁信號(hào)，可能是磁測量儀器的系統(tǒng)誤差帶來的，看起來像是超導(dǎo)態(tài)，但不到真正超導(dǎo)信號(hào)的1%。

季燕江：根據(jù)Dias的文章，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的條件并不苛刻：一萬個(gè)大氣壓，意味著很多組都可以重復(fù)，也會(huì)很快有結(jié)果。Dias文章給出了超導(dǎo)存在的電阻、磁化率和比熱的證據(jù)。今天的科學(xué)研究是以數(shù)據(jù)為核心的，拿到實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)意味著其他人可以基于數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出不同的解釋，或得到不同的結(jié)論，科研數(shù)據(jù)的共享可以節(jié)約很多科學(xué)和社會(huì)資源。

二、“證偽”工作持續(xù)進(jìn)行， Dias面臨質(zhì)疑

子乾：復(fù)刻Dias的實(shí)驗(yàn)具體過程怎樣的？有什么難點(diǎn)嗎？

聞海虎：Dias在文章中說，把兩個(gè)金剛石對(duì)頂形成的小空間內(nèi)放有镥并充入氫氣氮?dú)猓?萬大氣壓下，65℃時(shí)加熱反應(yīng)。做材料研究的學(xué)者都覺得很離奇，因?yàn)榧幢闶窃诮饎偸瘔旱那闆r下，65℃時(shí)金屬能發(fā)生吸氣反應(yīng)，簡直不可思議。但我們用組里的高溫高壓爐，兩三天做出初步樣品，重復(fù)調(diào)整后做出了與Dias團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)一樣的“镥氫氮”樣品，然后仔細(xì)測量電性質(zhì)和磁性質(zhì)。碰巧這些條件我們組里都有，原料也有儲(chǔ)備。這次我們很快做出復(fù)驗(yàn)的工作，得益于老師和同學(xué)們的努力工作和前期積累。盡管實(shí)驗(yàn)所需壓強(qiáng)也并不大，但是說重復(fù)工作容易，其實(shí)也不容易。

子乾：所以Dias的結(jié)論被完全推翻了嗎？

聞海虎：通過X光衍射譜測量，我們發(fā)現(xiàn)我們的衍射譜與他們樣品的幾乎一致，不同衍射峰的峰位和峰高都差不多，說明我們做出了與Dias團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)幾乎一樣的樣品，盡管氫元素對(duì)X光衍射的信號(hào)可能弱一點(diǎn)，但镥的主體結(jié)構(gòu)定下來了；電磁信號(hào)測定后與Dias團(tuán)隊(duì)結(jié)果也比較像，如低溫下有較大一個(gè)電阻。但由于不能做我上述說過的“數(shù)據(jù)處理”，所以我們根據(jù)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)判斷，這絕對(duì)不是超導(dǎo)態(tài)的樣子。而兩個(gè)樣品結(jié)構(gòu)非常接近，在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)調(diào)整壓力的話，如果有超導(dǎo)我們這邊的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該也出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的，但并沒有，所以對(duì)于此類結(jié)構(gòu)的LuNH材料的近常壓室溫超導(dǎo)基本是證偽了。

子乾：被光速證偽，Dias的論文會(huì)被撤稿嗎？

季燕江：凝聚態(tài)物理是所謂小科學(xué)，其中的物性測量可能只有有限的幾個(gè)人操作實(shí)施，因此在做數(shù)據(jù)處理及呈現(xiàn)的時(shí)候，會(huì)有一定主觀色彩。要想解決這個(gè)問題，需要依靠一些政策層面的東西，比如論文發(fā)表時(shí)需要強(qiáng)制共享論文的原始數(shù)據(jù)，并說明數(shù)據(jù)處理的過程。

這意味著，雜志社、管理機(jī)構(gòu)、科學(xué)研究的贊助者，應(yīng)當(dāng)要求基礎(chǔ)科研工作共享實(shí)驗(yàn)的最原始的數(shù)據(jù)，而不是處理后的數(shù)據(jù)，這樣不同背景和不同理論偏好的學(xué)者在討論這些工作的時(shí)候有個(gè)相對(duì)客觀的起點(diǎn)。

凝聚態(tài)物理學(xué)界其實(shí)是比較“友善”的，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了制作某種材料的方法后會(huì)分享給同行，希望有更多組能重復(fù)自己的工作，大家秉持的是讓“科學(xué)共同體”的利益最大化。Dias教授的一些做法，比如以商業(yè)利益為托詞拒絕提供樣品是很難讓人理解的，并且有悖于基礎(chǔ)科學(xué)工作者的慣常做法。

聞海虎：凝聚態(tài)物理研究，雖然在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中不可能把每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都重復(fù)得出，但首先實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象必須可重復(fù)。此外，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋不能模棱兩可，除非是不重要的小現(xiàn)象，但是即便如此最好也要在文章中寫清楚。在超導(dǎo)領(lǐng)域，則是完全不允許這種模棱兩可的，超導(dǎo)只有“有”或“沒有”兩種結(jié)果，不能通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行模糊。驗(yàn)證該近常壓的室溫超導(dǎo)有兩種方法，要么是其他實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，估計(jì)很快就有結(jié)論；要么Dias自己把認(rèn)為是超導(dǎo)體的樣品拿到其他可信的實(shí)驗(yàn)室去測量，這樣謠言不攻自破。如果大家陸續(xù)證偽或發(fā)現(xiàn)更多疑點(diǎn)，這篇文章多半是要被撤稿的。

三、室溫超導(dǎo)何以成為新的能源革命？

子乾：如果有一天真的實(shí)現(xiàn)常溫常壓下的室溫超導(dǎo)，我們的生活會(huì)有哪些變化？

季燕江：目前看，所謂大數(shù)據(jù)、大模型都要費(fèi)很多電，據(jù)說人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)的耗電將很快成為我們用電的最大頭。假如未來的室溫超導(dǎo)能夠應(yīng)用在這些領(lǐng)域的話，將可以在很大程度上解決我們的能源問題，并助推人工智能在未來的廣泛應(yīng)用。

聞海虎：超導(dǎo)在電力、能源、國防、醫(yī)療及大科學(xué)裝置等方面都有應(yīng)用。如果室溫超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，可以在室溫或在冰箱制冷溫度下使用，大規(guī)模集成電路中的電路用這種超導(dǎo)線的話就不發(fā)熱，那計(jì)算容量就可以做得很高。也可以用于極弱磁場的探測。再比如電纜應(yīng)用，結(jié)合我國的高電壓等級(jí)，零電阻超導(dǎo)帶來的無損耗輸電就能非常高效，而且節(jié)省很大空間。上海電纜所下屬的應(yīng)用超導(dǎo)公司牽頭，聯(lián)合上海交通大學(xué)和上海大學(xué)的兩家公司“上創(chuàng)”和“上超”，在液氮溫度上制成了1.2公里長、35千伏，2200安培的輸電高溫超導(dǎo)電纜，一根超導(dǎo)電纜加上低溫液體流動(dòng)制冷等空間，直徑也就15cm左右，代替了原來四個(gè)回路的常規(guī)電纜，可供4.5萬戶人家使用。

另外，超導(dǎo)在電力行業(yè)也有很多其他應(yīng)用，比如電網(wǎng)運(yùn)行不太穩(wěn)定的時(shí)候，超導(dǎo)制成限流器可以消解掉電流突然的大脈沖，若還能用一個(gè)小的超導(dǎo)磁體作為存儲(chǔ)，還能把這個(gè)突然的波峰能量暫時(shí)存起來，等電流出現(xiàn)波谷時(shí)再輸出這部分能量。做成超導(dǎo)磁體還可以用在電機(jī)，人工受控核聚變，大科學(xué)裝置，核磁成像，磁懸浮列車等方面。

世界首條35千伏公里級(jí)超導(dǎo)電纜試?yán)囼?yàn)現(xiàn)場（圖源：國網(wǎng)上海電力）

還有一個(gè)例子，是濾波器的應(yīng)用，我國在液氮溫度下的高溫超導(dǎo)體方面已經(jīng)做得很好，北京大鐘寺信號(hào)塔基站以前就有一個(gè)高溫超導(dǎo)濾波器的示范應(yīng)用，效果很好。利用零電阻特性設(shè)計(jì)成微波線路，讓想要的信號(hào)高品質(zhì)通過，阻攔其他頻率的波。如果我沒有記錯(cuò)的話，但是使用通常濾波器的基站塔信號(hào)只能夠覆蓋3km，用了超導(dǎo)濾波器后信號(hào)擴(kuò)大到9km范圍。但由于液氮制冷成本太高，通信公司在最后推廣4G的時(shí)候沒有接受。如果實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，這些成本問題就解決了。

大家可以看到，室溫超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)以后，通過努力在實(shí)際應(yīng)用上有非常大的潛力，這也是為何此次室溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)引發(fā)如此大的轟動(dòng)。

嘉賓信息：

整理：王嘉欣

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