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室温超导无疑是物理学的圣杯。但就好像俗话说的“人红是非多”，这个领域有些研究成果好像总能引来大量争议。前一段闹的最厉害的，莫过于韩国科学家宣称发现了室温常压超导体LK-99，谁知后续其他研究小组的结果表明纯的LK-99是一种绝缘体，LK-99表现出类似室温超导的行为，很可能要归因于材料在制备过程中混入的硫化亚铜（Cu2S）杂质……（点击阅读相关：报道一、报道二）。

韩国科学家这两篇在国内外社交媒体掀起轩然大波的预印本论文，好歹还能说是没有经过同行评审。而本文的主角——罗切斯特大学助理教授Ranga Dias课题组的两篇超导研究工作，可是实打实的发表在顶级期刊Nature 上，其中之一甚至登上了Nature 当期封面并被Science 杂志选为2020十大“年度突破（Breakthrough of the year）”，尽管后来因“关键数据处理问题”被撤稿……（点击阅读相关）。

Ranga Dias教授。图片来源：University of Rochester

时间回到2023年3月7日，Ranga Dias教授在美国物理学会年会上高调宣布了课题组的新研究成果，创造出一种新的超导材料——氮掺杂氢化镥（Lu-N-H）——这种材料在室温下具有超导性能。科学家和记者挤满了212号会议室，以至于会议组织者不得不将后来的人们引导到另一个场地观看他的演示视频。他们的成果，又一次“震动”了科研界，随后，论文在3月8日上线的Nature杂志上被报道（点击阅读相关）。这篇Nature 论文，距离该课题组上一篇Nature论文被撤稿仅仅半年左右，Dias教授似乎在用行动为自己正名。

又是过了半年左右，这篇“为自己正名”的论文却又被Nature 编辑部加上了Editor’s Note，“数据的可靠性受到质疑，一旦确定此事，将采取适当的编辑措施（Readers are alerted that the reliability of data presented in this manuscript is currently in question. Appropriate editorial action will be taken once this matter is resolved.）”（下图）。Nature 杂志的首席应用和物理科学编辑Karl Ziemelis表示，他和他的同事正在“认真评估”，“由于同行评审过程的机密性，我们暂时还不能讨论具体的细节” [1]。Dias课题组2020那篇论文，2021年8月被编辑第一次加上Editor’s Note，2022年9月被撤稿，这篇文章的Editor’s Note来的如此之快，笔者不厚道地在想，“搞不好，撤稿也快了”？

图片来源：Nature

简单回顾一下Dias课题组的工作。他们的成果之所以引人注目，不仅因为该材料的超导临界温度为294 K（21 ），而且所需的压力相对较低，其他研究氢化合物的团队需要将材料加压至数百GPa，高出大气压数百万倍，相比之下，他们仅需在1 GPa（大约是大气压的1万倍）条件下。尽管仍然不适合大规模实际应用，但这个条件已经不再那么苛刻。甚至四月份，他们还发布了一项专利申请，进一步声称Lu-N-H在室温和常压下也具有超导性。

室温超导体发展之路。图片来源：Nature [1]

他们2020年在Nature 杂志上报告的是另一种超导氢化物 [2]，被编辑撤回的原因是磁化率的测量时扣除背景信号存在问题，且实验结果无法被重复（点击阅读相关）。尴尬的是，该课题组一篇发表在Physical Review Letters杂志上的论文也在今年被撤稿 [3]，这导致Dias教授的学术声誉进一步受损。他所在的罗彻斯特大学也表示，将对他的工作进行调查。

为什么要在氢化物中寻找室温超导体？原来，当温度降至临界温度以下时，电子对形成“库珀对”，并在材料中自由传播，不会碰到任何原子核。晶格的振动有助于库珀对形成，而最轻的氢原子晶格可以更快地振动，比其他元素更容易形成“库珀对”。因此，2004年，理论物理学家们曾预测，氢和较重的元素制成的合金，可能在更低压力下变成金属，具有超导性能 [4]。

库珀电子对。图片来源于网络

研究人员一直在追寻这一线索。2015年，德国马普所的Mikhail Eremets课题组报告称，约145 GPa的压力下，H2S在203 K（-70摄氏度）左右具有超导性 [5]。随后，又有数十种其他超导氢化物被报道，其中包括2019年，芝加哥伊利诺伊大学的Russell J. Hemley课题组刷新的纪录，180-200 GPa压力，260 K（-13摄氏度）下表现出超导性的铯氢化镧 [6]。

不同压力下测量H2S的电阻-温度依赖性及临界温度Tc。图片来源：Nature [5]

尽管Dias团队在今年3月份宣布其成果时情绪高涨，认为Lu-N-H标志着“环境超导和应用技术的黎明”。在同期Nature 杂志的观点文章中，其他科学家评论称他们的工作给了室温超导希望，但怀疑和争议却远远没有平息 [7]。

事实也是如此，这篇Lu-N-H超导论文发表后，质疑之声很快接踵而至，许多研究团队经过尝试都未能完全重复出这一结果。最早的批评观点是，论文没有提供电阻降为零的足够证据。Dias教授辩解称，他们从测量中扣除了“残余电阻”。然而，英国布里斯托大学的物理学家Sven Friedemann反驳称，这暗示了原始数据并未降为零。随后，霍普金斯大学的物理学家Peter Armitage利用论文补充材料中提供的原始数据，发现电阻随温度逐渐下降，并保持在明显高于零的水平，与正文数据图不符，“这明显没有超导性”[8]。

原始数据图与论文数据图对比。图片来源：PUBPEER [8]

中国科学院物理研究所与曲阜师范大学的研究者分别尝试重复Dias课题组新论文的结果，均以失败告终 [9, 10]。南京大学的一个研究小组今年5月直接在Nature 杂志上发表质疑文章，重复实验表明Lu-N-H样品不存在任何超导迹象 [11]。

LuH2 xNy在不同压力下的颜色变化及电阻-温度关系。图片来源：Nature [11]

上海高压科学与技术先进研究中心的一个研究小组同样没有看到零电阻的任何证据。他们分析了Lu-N-H电阻突然下降的原因，可能是由于材料在临界温度以下时，从一种不良导体转变成为了良导体 [12]。其他课题组也同样无法重复出论文的实验结果，不少团队的研究人员称，他们已经放弃了重复这项工作的尝试，不想再浪费时间 [1]。

当然，只有反对者的故事往往是无趣的。伊利诺伊大学芝加哥分校Russell Hemley及其同事在今年6月上传了一份arXiv预印本论文 [13]，报告了他们使用Dias团队提供的样品，观察到了Lu-N-H中的超导现象。然而，反驳者称，他们仅测量了电阻，这不足以证明超导性。Hemley也承认这只是部分确认，磁化率测量“正在进行中”。

图片来源：arXiv [13]

马普所的Alexander Drozdov认为，超导性可能是由于不良电接触引起的，并指出Hemley的结果显示，在超导性的临界温度以下，电阻反而略微上升。莱斯大学的物理学家Douglas Natelson也表示同意。“如果接触不良，看起来就会像这样” [14]。

鉴于诸多质疑，Nature 编辑部对该论文标注了警示性Editor’s Note。很明显，由于两次被撤稿（Nature 和 PRL），其他科学家对Dias课题组的研究也越来越怀疑。尽管Dias教授表示，他仍然“确定”没有科学不端行为，并正在寻求“解决关于论文数据和图表中存在的问题”，不过值得注意的是，其他共同作者拒绝置评或未予回应。

今年吃了太多关于室温超导的瓜，说实话，笔者吃的都有点撑得慌。的确，这一领域一旦取得重大突破将改变人类的电力和工业发展，具有足够的想象空间。但是，实验被质疑、论文或撤回，也许都在说，室温超导的研究“道阻且长”。至于Dias课题组这篇Nature 论文的命运，让子弹再飞一会吧……

参考文献：

[1] E. Cartlidge, Why a blockbuster superconductivity claim met a wall of scepticism. Nature 2023, 621, 26-30. DOI: 10.1038/d41586-023-02733-z

[2] E. Snider, et al. Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 2022, 586, 373-377; retraction 2022, 610, 804. DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z

[3] D. Durkee, et al. Colossal Density-Driven Resistance Response in the Negative Charge Transfer Insulator MnS2. Phys. Rev. Lett. 2021, 127, 016401; retraction 2023, 131, 079902. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.079902

[4] N. W. Ashcroft, Hydrogen Dominant Metallic Alloys: High Temperature Superconductors? Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 187002. DOI: 10.1103/PhysRevLett.92.187002

[5] A. Drozdov, et al. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Nature 2015, 525, 73-76. DOI: 10.1038/nature14964

[6] M. Somayazulu, et al. Evidence for Superconductivity above 260 K in Lanthanum Superhydride at Megabar Pressures. Phys. Rev. Lett. 2019, 122, 027001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.027001

[7] C. Jin & D. Ceperley, Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain. Nature 2023, 615, 221-222. DOI: 10.1038/d41586-023-00599-9

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

https://pubpeer.com/publications/5B50A0D3400CDD252EC67D75F0841A#6

[9] S. Cai, et al. No evidence of superconductivity in a compressed sample prepared from lutetium foil and H2/N2 gas mixture. Matter Radiat. Extrem. 2023, 8, 048001. DOI: 10.1063/5.0153447

[10] X. Xing, et al. Observation of non-superconducting phase changes in LuH2 xNy. arXiv:2303.17587. DOI: 10.48550/arXiv.2303.17587

[11] X. Ming, et al. Absence of near-ambient superconductivity in LuH2 xNy. Nature 2023, 620, 72-77. DOI: 10.1038/s41586-023-06162-w

[12] D. Peng, et al. The near-room-temperature upsurge of electrical resistivity in Lu-H-N is not superconductivity, but a metal-to-poor-conductor transition. Matter Radiat. Extrem. 2023, 8, 058401. DOI: 10.1063/5.0166430

[13] N. P. Salke, et al. Evidence for Near Ambient Superconductivity in the Lu-N-H System. arXiv:2306.06301. DOI: 10.48550/arXiv.2306.06301

[14] A busy and contentious week in condensed matter physics

http://nanoscale.blogspot.com/2023/06/a-busy-and-contentious-week-in.html

（本文由小希供稿）