核心要點

1Ranga Dias團隊的文章在認定超導時，在數(shù)據(jù)處理過程中有些不規(guī)范操作，尤其是在確認超導方面，這樣做是不合適的，也不能被接受。 2實現(xiàn)室溫超導相當于讓電子系統(tǒng)的微觀量子相干現(xiàn)象走進現(xiàn)實世界，十分重要。 3超導在電力、能源、國防、醫(yī)療及大科學裝置等領(lǐng)域均有應用，實現(xiàn)室溫超導可以大大降低能源損耗和運營成本，未來前景廣闊。

北京時間3月8日，羅徹斯特大學的Ranga Dias教授在美國物理學會三月會議上宣布，在近環(huán)境壓強下實現(xiàn)了室溫超導。

一星期后，南京大學超導物理和材料研究中心主任聞海虎教授團隊提交一篇新論文，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”新突破或已被光速證偽，我們距離室溫超導究竟還有多遠？

特約主持：

子乾 中科院高能物理所博士

對話嘉賓：

聞海虎 南京大學物理學院教授，南京大學超導物理和材料研究中心主任

季燕江 前北京科技大學物理系教師

一、室溫超導新發(fā)現(xiàn)引發(fā)巨大反響

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

聞海虎：1911年發(fā)現(xiàn)超導體以來，超導已有112年學科發(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，仍有蓬勃的學科生命力，每次重要進展都能吸引很多關(guān)注，室溫超導就是研究焦點之一。

超導態(tài)沒有電阻，其他方面性能也很奇異，但實現(xiàn)超導需要降到一定的溫度，有時候還需要加一定的壓強。若能實現(xiàn)常壓或低壓下的室溫超導，將推動科學技術(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壓強下實現(xiàn)了零上21℃（294K）的室溫超導，這無疑是科學界的爆炸新聞。

季燕江：上世紀80年代末，高溫超導銅氧化物剛剛問世的時候也有過類似的盛況，甚至更厲害。最早，金屬超導轉(zhuǎn)變溫度（編者注：某些物質(zhì)在溫度低于某一值 Tc 時電阻率突然變?yōu)?，這一溫度叫超導體的轉(zhuǎn)變溫度）很低，并且一直沒有顯著地提升，此外根據(jù)超導的BCS理論（編者注：BCS理論即解釋常規(guī)超導體的超導電性的微觀理論，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不會超過40K（編者注：K，熱力學溫度，40K=-233.15°C）。高溫超導銅氧化物的出現(xiàn)，打破了這一限制，Tc從低于40K發(fā)展到超過液氮溫區(qū)，這讓學界思考是否會有超越BCS機制的超導體存在。

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

量子現(xiàn)象，比如隧道效應、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，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)計實驗，如果沒有所需的材料和樣品還需要合成材料后進行實驗測量，發(fā)現(xiàn)超越現(xiàn)有知識或認識的新結(jié)果，需要更換樣品后進行多次實驗驗證，確保實驗可重復，之后寫文章并投稿，雜志社都會請評審人審稿，有些直接拒稿，有些提出修改意見，讓作者進行修改直至評審人滿意后予以發(fā)表。

通常情況下審稿發(fā)表還是很嚴格的，主要參考評審人意見，出版商也一定要遵循學術(shù)規(guī)范，不能在利益驅(qū)動下發(fā)表虛假或?qū)嶒灲Y(jié)果不可重復的文章。

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。科學出版在早期沒有這么復雜，比如沒有明確的審稿過程和審稿人制度，然后隨著科學研究規(guī)模的擴大，在上世紀30年代逐漸演化為“不盲從于權(quán)威”的審稿制度。我也注意到在科學出版中有鼓勵發(fā)表的趨勢，即只要數(shù)據(jù)足夠扎實、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，即科學出版機構(gòu)還是傾向于把更多科學工作呈現(xiàn)給大家。

Ranga Dias團隊在Nature發(fā)表論文（圖源：Nature網(wǎng)站）

子乾：如何評價Ranga Dias的科學工作？

聞海虎：Dias一直在做高溫超導，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世紀60年代末的“金屬氫”理論，預言在極高壓下把氫壓成金屬的話，內(nèi)部聲子振動及電聲耦合等相互作用可以很強，可能會導致室溫超導。Dias及其合作者稱壓強到400萬大氣壓左右時看到了金屬氫態(tài)，測定光學性質(zhì)后有少量峰達到標準，他們將該發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學》雜志（Science）上。由于實驗要求的壓力太高，沒有幾個組能重復，Dias及其同事過了一段時間后聲稱金屬態(tài)氫“消失了”，這項工作因此也就就不了了之了，因為重復起來也太困難。

第二件是他2020年發(fā)表的碳氫硫在高壓下實現(xiàn)室溫超導的進展，發(fā)表在《自然》雜志（Nature），但其他實驗組一直沒能重復這一實驗，一些學者理論計算后也認為碳氫硫放在一起很難形成固態(tài)結(jié)構(gòu)，因此Dias備受質(zhì)疑，并因?qū)嶒灍o法重復而被撤稿。

第三件工作就是最近的室溫超導了。我們一般不會因為學術(shù)圈里流傳的一些事情對他的最新發(fā)現(xiàn)有預設(shè)觀點或態(tài)度，畢竟如果是真實的低壓或常壓的常溫超導，那真的是很重要的發(fā)現(xiàn)。所以大家都很認真地對待這一發(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)遠遠不能讓人信服。

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

聞海虎：美國時間3月7日Dias在美國物理學會的春季會議上面做報告，迅即我們就看見了報告視頻以及一些結(jié)果的圖片，我第一眼看到Dias的結(jié)果時就非常震驚。在294K左右（室溫附近）時電阻迅速下降到0，抗磁信號也很好，還給出了比熱數(shù)據(jù)，我認為這個發(fā)現(xiàn)太重要了，立刻準備進行重復試驗。

Ranga Dias在美國物理學會會議報告（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

3月8日，Dias團隊的文章出來后我們發(fā)現(xiàn)擴展數(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)也有學者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)Dias團隊的數(shù)據(jù)處理行為，而至少其中的部分處理在科學規(guī)范上講，尤其是定義超導方面是不太合適的。文章的正文在物理邏輯下必須與原始數(shù)據(jù)對應，定義超導則更嚴格。比如說電阻，我們通常測超導體電阻采用標準的四電極引線法，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，否則不能判斷超導態(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)時他們從原始信號中減去背景信號，即將低溫端擬合成一個函數(shù)，然后減去，那自然能處理出一個所謂“零電阻”狀態(tài)，其實是無法判斷超導態(tài)的，不然所有金屬都能“變成超導體”了，我們絕對不能接受這種處理。包括磁信號，我們后來分析，有時候看見的一點所謂抗磁信號，可能是磁測量儀器的系統(tǒng)誤差帶來的，看起來像是超導態(tài)，但不到真正超導信號的1%。

季燕江：根據(jù)Dias的文章，這個實驗的條件并不苛刻：一萬個大氣壓，意味著很多組都可以重復，也會很快有結(jié)果。Dias文章給出了超導存在的電阻、磁化率和比熱的證據(jù)。今天的科學研究是以數(shù)據(jù)為核心的，拿到實驗的原始數(shù)據(jù)意味著其他人可以基于數(shù)據(jù)進行分析，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)約很多科學和社會資源。

二、“證偽”工作持續(xù)進行， Dias面臨質(zhì)疑

子乾：復刻Dias的實驗具體過程怎樣的？有什么難點嗎？

聞海虎：Dias在文章中說，把兩個金剛石對頂形成的小空間內(nèi)放有镥并充入氫氣氮氣，在1萬大氣壓下，65℃時加熱反應。做材料研究的學者都覺得很離奇，因為即便是在金剛石壓的情況下，65℃時金屬能發(fā)生吸氣反應，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，重復調(diào)整后做出了與Dias團隊結(jié)構(gòu)一樣的“镥氫氮”樣品，然后仔細測量電性質(zhì)和磁性質(zhì)。碰巧這些條件我們組里都有，原料也有儲備。這次我們很快做出復驗的工作，得益于老師和同學們的努力工作和前期積累。盡管實驗所需壓強也并不大，但是說重復工作容易，其實也不容易。

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團隊結(jié)構(gòu)幾乎一樣的樣品，盡管氫元素對X光衍射的信號可能弱一點，但镥的主體結(jié)構(gòu)定下來了；電磁信號測定后與Dias團隊結(jié)果也比較像，如低溫下有較大一個電阻。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)實踐和經(jīng)驗判斷，這絕對不是超導態(tài)的樣子。而兩個樣品結(jié)構(gòu)非常接近，在相當寬的范圍內(nèi)調(diào)整壓力的話，如果有超導我們這邊的實驗應該也出現(xiàn)超導現(xiàn)象的，但并沒有，所以對于此類結(jié)構(gòu)的LuNH材料的近常壓室溫超導基本是證偽了。

子乾：被光速證偽，Dias的論文會被撤稿嗎？

季燕江：凝聚態(tài)物理是所謂小科學，其中的物性測量可能只有有限的幾個人操作實施，因此在做數(shù)據(jù)處理及呈現(xiàn)的時候，會有一定主觀色彩。要想解決這個問題，需要依靠一些政策層面的東西，比如論文發(fā)表時需要強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、管理機構(gòu)、科學研究的贊助者，應當要求基礎(chǔ)科研工作共享實驗的最原始的數(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者在討論這些工作的時候有個相對客觀的起點。

凝聚態(tài)物理學界其實是比較“友善”的，學者們發(fā)現(xiàn)了制作某種材料的方法后會分享給同行，希望有更多組能重復自己的工作，大家秉持的是讓“科學共同體”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)科學工作者的慣常做法。

聞海虎：凝聚態(tài)物理研究，雖然在重復實驗中不可能把每個數(shù)據(jù)點都重復得出，但首先實驗現(xiàn)象必須可重復。此外，對實驗現(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。在超導領(lǐng)域，則是完全不允許這種模棱兩可的，超導只有“有”或“沒有”兩種結(jié)果，不能通過數(shù)據(jù)處理進行模糊。驗證該近常壓的室溫超導有兩種方法，要么是其他實驗室陸續(xù)進行實驗，估計很快就有結(jié)論；要么Dias自己把認為是超導體的樣品拿到其他可信的實驗室去測量，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，這篇文章多半是要被撤稿的。

三、室溫超導何以成為新的能源革命？

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

季燕江：目前看，所謂大數(shù)據(jù)、大模型都要費很多電，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能夠應用在這些領(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用。

聞海虎：超導在電力、能源、國防、醫(yī)療及大科學裝置等方面都有應用。如果室溫超導實現(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線的話就不發(fā)熱，那計算容量就可以做得很高。也可以用于極弱磁場的探測。再比如電纜應用，結(jié)合我國的高電壓等級，零電阻超導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用超導公司牽頭，聯(lián)合上海交通大學和上海大學的兩家公司“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電纜，一根超導電纜加上低溫液體流動制冷等空間，直徑也就15cm左右，代替了原來四個回路的常規(guī)電纜，可供4.5萬戶人家使用。

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

世界首條35千伏公里級超導電纜試拉試驗現(xiàn)場（圖源：國網(wǎng)上海電力）

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

大家可以看到，室溫超導實現(xiàn)以后，通過努力在實際應用上有非常大的潛力，這也是為何此次室溫超導發(fā)現(xiàn)引發(fā)如此大的轟動。

嘉賓信息：

整理：王嘉欣

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