3.10知識分子TheIntellectual
APS大會上，迪亞斯釋出了室溫超導的大發現
撰文|項棟梁
責編|李珊珊
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2023年3月，美國物理學會年會上，羅切斯特大學的蘭加‧迪亞斯（RangaP.Dias）團隊宣布：他們在1GPa（約等於1萬個大氣壓）的壓力下，鑥-氮-氫體系材料中實作了室溫超導。
物理學界炸了，整個世界沸騰了。
很少有科學發現能像在室溫、相對溫和的壓力下實作超導性的材料那樣徹底地改變人類科技。在能源和環境問題日漸突出的當今世界，超導對能源、交通、資訊工業產生巨大的推動作用，說是掀起新一輪的工業革命也不為過，這也是為什麽室溫超導材料會被稱為物理學的聖杯。
3月9日，迪亞斯團隊相關研究的論文正式發表在【自然】雜誌上。然而，與論文一起釋出的評論文章中指出，這個聖杯上面隱隱約約的裂紋：「相關的測量是一致而全面的，然而，考慮到作者的學術履歷，這項發現無疑會引起爭議。因為同一團隊的研究人員先前發表的一篇高溫超導材料的論文去年剛被撤回……」
那麽，這個聖杯到底成色幾何，室溫之外，實驗條件中的1萬個大氣壓到底意味著什麽？目前這種「室溫超導」的材料，能夠實作廣泛套用進而改變世界嗎？甚至，這項帶來了一場爆炸新聞的研究本身，靠譜嗎？
1量子計算的發展階段
「室溫超導」，算成功了嗎？
超導體，因其電阻為零和完全的抗磁性而具備極高的套用價值。但自超導現象被發現百年以來，超導體一直受困於其套用條件——極低的溫度或/和極高的壓力，苛刻的條件使其難以實作大規模廣泛的套用。
如果某種材料能突破條件限制，在自然條件或相對溫和的條件下實作超導效能，將會對能源、交通、資訊工業產生巨大的推動作用，說是掀起新一輪的工業革命也不為過。這也是為什麽室溫超導材料會被稱為物理學的聖杯。
但嚴格來說，被稱為物理學聖杯的室溫超導，除了臨界溫度應達到室溫（300克耳文，即27攝氏度）水平，還應該包括壓力環境在1個大氣壓的常壓狀態。
這次報道出來的室溫超導，目前還只實作了臨界溫度幾乎達到室溫的突破，其達到最佳超導狀態的壓力高達1萬個大氣壓，但無論如何，這個數據已經比之前的270萬個大氣壓，小了幾個數量級。對於這個進步的成色，中科院高能物理研究所研究員徐慶金向【知識分子】解釋：這已經是一個商用裝置可以達到的壓力了。
不過，商用裝置可以達到卻並不意味著能夠進行廣泛套用，長期研究超導材料的中科院物理研究所研究員羅會仟向【知識分子】介紹：「評價一種超導材料的效能指標需要很多方面的參數，雖然臨界溫度和壓力是最關鍵的，但也還需要考慮其他臨界參數，如臨界磁場、臨界電流密度等等。另外，實際工程套用中，材料的力學效能和化學穩定性也至關重要，實際套用中，想要找到一個綜合效能指標都優越的超導材料並不容易。」
除了評價這一成果的價值有多高，學術界和媒體更關心的其實是這項研究的成色有多真。
主持這一研究的迪亞斯博士在超導領域聲名赫赫，但並不是因為他已經取得了多麽重大的成果，而是因為他曾經兩次聲稱在超導領域實作了遠超同行的跨躍式突破，但兩次的成果都沒有得到其他研究團隊重復驗證。這是他第三次站上超導領域的山頂振臂高呼，難免要經受更多的挑戰與質疑。
發表該研究的【自然】雜誌評論認為，「相關的測量是一致而全面的，然而，考慮到作者的學術履歷，這項發現無疑會引起爭議。因為同一團隊的研究人員先前發表的一篇高溫超導材料的論文去年剛被撤回。而目前看來，對相關超導材料的獨立測量將有助於緩解對該結果的質疑」。
簡而言之，從目前披露的數據來看，這篇論文具備一項可靠研究的基礎特征，但基於作者的曾被撤稿的過往，還需要該團隊公開更多的資訊，以及接受其他研究團隊的獨立重復驗證。
好在這一次的爭議應該不會持續很久。多位相關專家都向【知識分子】表示，由於此次研究所需的壓力在實驗室條件下相對容易實作，其他研究團隊重復驗證這一成果的門檻並不高，預計很快就會有同行的反饋資訊。如果有其他同行能復現，那這一成果就算是被證實了，如果多個實驗室都無法復現，那大機率這又是迪亞斯博士放的一顆空衛星。
2
屢放衛星的天選之子
是的，迪亞斯博士並不是第一次在超導領域放衛星了，而且他放的衛星一次比一次大，引起的轟動一回比一回高。
2017年，當時還在美國哈佛大學做博士後研究的迪亞斯博士在【科學】雜誌發表論文，宣稱其在495GPa下制備了金屬態的氫。金屬氫被認為是極有可能成為室溫超導體的材料，但其制備卻極其艱難，學術界80多年努力都未能攻克難關，而嶄露頭角的迪亞斯博士卻一舉奪魁。
然而，正當大家期待著迪亞斯所在的團隊利用金屬氫做出更多成果，驗證更多超導理論時，這一寶貴的材料卻因試驗過程的「無心事故」而被損毀，並且迪亞斯自己也沒有再重復實作過這一壯舉。
也因此，【科學】雜誌對原先發表的論文進行了更正，迪亞斯博士第一次突破性研究成果的真實性被打上了一個問號。
2020年，【自然】雜誌發表重磅論文，宣布以C-S-H三元體系制備的超導材料在15攝氏度實作了超導電性。盡管相應壓力條件高達267GPa，但這是高溫超導材料的臨界溫度首次突破0攝氏度大關，堪稱歷史性重大突破。這一論文的通訊作者正是迪亞斯博士，此時他已來到美國羅切斯特大學擔任助理教授。
然而，正當學術界再次被這位青年才俊所震撼和鼓舞之時，質疑也接踵而至。多名超導領域的知名學者公開發表意見，認為該論文的重要數據存在可疑之處，加州聖地亞哥分校的理論物理學家JorgeHirsch甚至直言：相關結果是「人為捏造」的。雖然迪亞斯團隊公開了更多數據作為回應，但並未能平息質疑。【自然】雜誌經與作者團隊多次溝通，也認為相關回應不夠充分，最終決定撤稿。
更重要的是，迪亞斯團隊的這一重大成果至今從未被其它團隊重復驗證過。迪亞斯博士第二次突破性研究成果的真實性又被打了一個問號。
再然後就來到了本次的室溫超導研究成果，可以說是將同領域所有研究者遠遠拋在身後，真正讓人類看到室溫超導實作希望的革命性突破。
這一次，沒有了可以阻止其他實驗室重復研究的極端苛刻的驗證條件，迪亞斯博士將退無可退。
迪亞斯到底是超導領域的「天選之子」，還是屢次愚弄全世界的學術騙子，很快就將揭曉答案。
3
距離工業革命還有多遠？
迪亞斯團隊的成果釋出後，不僅在學術界引發強烈關註，也在全球範圍內掀起了一股討論室溫超導的輿論熱潮。在當前的全球經濟形勢下，人們對劃時代的、顛覆性的科研成果渴盼已久，對新一輪工業革命翹首以待。
然而很可惜，即便迪亞斯團隊的成果得到了重復驗證，距離人類獲得真正意義上可以廣泛套用的室溫超導體，距離由此引發的新一輪工業革命還有很遠的距離。
首先，這次發現的N-Lu-H三元超導材料雖然臨界溫度達到了室溫，但還需要高達上萬個大氣壓的壓力。對於科學研究來說這是重大突破，但對工業套用來說這仍然意味著高到難以忽視的成本，對民用產品來說則完全不具有可行性。突破壓力限制還有很多難題需要解決。
不僅如此，一種超導材料想要得到廣泛套用，還必須解決材料成本問題。
羅會仟介紹，類似三元超導材料即便將來能夠在自然氣壓條件下套用，其生產仍然離不開超高壓力——目前通常是利用金剛石對頂砧——這也意味著其產量提升會很困難，生產成本也會非常高。
還有一個更為關鍵的問題，鑥作為一種稀土元素，在地球上的儲藏量是非常有限的。當前鑥元素僅在極少數材料領域被套用，暫時還沒有短缺的問題，一旦需要大規模用於合成室溫超導材料，其自然儲量將會是最難突破的瓶頸。一位專家甚至向【知識分子】開玩笑道：屆時，鑥也許會成為這個星球上最貴的元素。
當然，即便前面都不是問題，超導體材料的廣泛套用還必須達到極高的穩定性。
室溫超導材料的眾多套用前景中，最被寄予厚望的是推動可控核融合反應堆的發展。然而目前看來，距離這一目標實作還隔著至少兩個超導體時代。
徐慶金提到，當前套用了超導材料的超大型裝置，如LHC（歐洲強子對撞機）、ITER（國際熱核融合反應堆）等使用的都還是最早的超低溫超導體材料，是數十年前的技術成果，工作溫度低至零下271攝氏度，必須用昂貴的液氦冷卻。
實際上，當前的高溫超導材料（可以用便宜的液氮冷卻）已經比較成熟，也有很多種選擇，理論上可以大幅降低執行成本。但由於穩定性及長期執行可靠性還沒有得到足夠的實驗驗證，暫時尚無大規模套用。之前，MIT的實驗性融合反應堆技術研究中曾嘗試使用新型高溫超導材料（稀土鋇銅氧化物），但很不幸，在極限效能測試過程中，僅一次失超就把線圈給燒壞了。
如果迪亞斯團隊的最新研究成果被證實，將會成為新一代的近室溫超導材料，雖然還不能完全達到室溫超導的條件，但已經是極大的跨越。然而，目前的情況看來，這種近室溫超導材料的研究幾乎還不能算是真正起步，距離實際套用就更遠了。
而全世界所期盼實作的真正意義上好用的室溫超導材料，可以稱之為未來超導材料。而這些室溫、低壓，對環境要求也不高的超導材料的深入研究和廣泛套用，現在甚至還沒有達到可以討論的程度。
路漫漫其修遠兮，我們真誠希望迪亞斯團隊的研究成果能夠被證實，將人類的超導研究往前推進一大步。但截至目前，我們還只能保持謹慎樂觀。
參考文獻：（上下滑動可瀏覽）
1.Evidenceofnear-ambientsuperconductivityinaN-dopedlutetiumhydride，Science,1.18.2023
2.Hopesraisedforambientsuperconductors，Nature,3.9.2023
3.ThePeriodicTableofEndangeredElements，VisualCapitalist,8.31.2022
4.人類首次實作室溫超導，同行們為何評價不一？
5.「室溫超導」論文撤稿早有伏筆？兩年網路論戰與頂刊的一地雞毛
