“室溫超導(dǎo)” 論文撤稿早有伏筆??jī)赡昃W(wǎng)絡(luò)論戰(zhàn)與頂刊的一地雞毛

2022年9月26日,Science深度報(bào)道了Nature常溫超導(dǎo)論文撤稿事件的前因后果
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2022年9月26日, Nature 撤稿兩年前刊發(fā)的論文 “碳?xì)淞蚧镏惺覝爻瑢?dǎo)電性”。至此,在科研界鬧的沸沸揚(yáng)揚(yáng)的 “室溫超導(dǎo)” 事件告一段落。
值得注意的是,同一天,Science深度報(bào)道了此次撤稿事件的前因后果,由資深編輯 Eric Hand 執(zhí)筆,采訪了該事件的幾位當(dāng)事人 [1]。報(bào)道題目直接引用了質(zhì)疑聲音代表人物 Van der Marel 的一句原話:“Something is seriously wrong.”
超導(dǎo)現(xiàn)象最早于1911年由荷蘭萊頓大學(xué)的H.K. Onnes研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)——金屬汞在4.2 K以下電阻突然消失為零,Onnes將其命名為 “超導(dǎo)”,寓意“超級(jí)導(dǎo)電”(圖1左)。隨后的百余年時(shí)間里,各類超導(dǎo)材料不斷被發(fā)現(xiàn),目前已知的超導(dǎo)材料有成千上萬種,覆蓋單質(zhì)金屬、合金、金屬間化合物、過渡金屬硫族化物/磷族化物甚至有機(jī)化合物等 [2]。
嚴(yán)格來說,判斷一個(gè)材料是否屬于超導(dǎo)體,必須有兩個(gè)獨(dú)立的電磁特性判據(jù):1. 是否具有絕對(duì)零電阻;2. 是否具有完全抗磁性。后者由德國科學(xué)家Meissner等發(fā)現(xiàn),又稱為Meissner效應(yīng),即磁場(chǎng)下超導(dǎo)體有完全抗磁響應(yīng),其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零,對(duì)應(yīng)的磁化率χ為-1。

超導(dǎo)材料對(duì)外界磁場(chǎng)有不同響應(yīng),可以簡(jiǎn)單分為兩類。絕大部分超導(dǎo)體屬于第二類,它們?cè)谀承┐艌?chǎng)-溫度區(qū)間(稱之為“混合態(tài)”)體現(xiàn)出“部分抗磁性”(即磁化率不到-1),僅在很低溫度且很弱磁場(chǎng)下才會(huì)有“完全抗磁性”,所以在很多情況下驗(yàn)證超導(dǎo)電性的存在,并不一定要求χ=-1(盡管此時(shí)才能被稱為“超導(dǎo)態(tài)”),但必須獨(dú)立測(cè)量到足夠強(qiáng)的抗磁信號(hào)(χ為負(fù)值)。對(duì)于這類超導(dǎo)體而言,即使在部分抗磁的混合態(tài)下,其零電阻效應(yīng)也能夠保持住,直到磁場(chǎng)足夠強(qiáng)達(dá)到上臨界場(chǎng)時(shí),才會(huì)徹底被破壞恢復(fù)到有電阻的“正常態(tài)”(圖1右),所以是否具有完全抗磁狀態(tài),對(duì)超導(dǎo)體在零電阻狀態(tài)下的應(yīng)用影響不大。
實(shí)驗(yàn)上,零電阻的測(cè)量相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),而抗磁性的測(cè)量則相對(duì)困難一些,比如高壓環(huán)境下有很多的附屬裝置帶來很大的背景信號(hào),薄膜或納米顆粒等材料的總量很少導(dǎo)致信號(hào)太弱等,部分有機(jī)或含水等抗磁物質(zhì)的材料會(huì)帶來假信號(hào)等,因此大部分超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)都是以零電阻效應(yīng)為主,抗磁效應(yīng)為輔[3]。一些超導(dǎo)研究論文為了獲得首發(fā)權(quán),初始時(shí)僅有零電阻證據(jù),而在后續(xù)補(bǔ)發(fā)抗磁信號(hào)證據(jù),也是常見的。
超導(dǎo)材料因其絕對(duì)零電阻和完美的抗磁特性等特殊物理性質(zhì),幾乎在所有電和磁相關(guān)的領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用價(jià)值。超導(dǎo)本質(zhì)上是微觀電子的配對(duì)相干凝聚,是一種宏觀量子現(xiàn)象,在量子器件方面也有許多重要用途。超導(dǎo)物理的研究讓人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)中復(fù)雜相互作用出現(xiàn)的層展現(xiàn)象,可能有的超越了傳統(tǒng)理論框架,對(duì)基礎(chǔ)物理的發(fā)展有重要推動(dòng)作用。正是如此,超導(dǎo)在物理學(xué)前沿一直受到廣泛關(guān)注,而尋找更加好用的超導(dǎo)材料,擺脫超導(dǎo)應(yīng)用的低溫環(huán)境限制,是科學(xué)家一直以來的夢(mèng)想。能否實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)材料,也是領(lǐng)域內(nèi)最大的挑戰(zhàn)之一。

圖2 各類超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)的年代和臨界溫度,插圖為典型的材料結(jié)構(gòu)(來自《中國科學(xué)》[6])

圖3 用iPhone攝像頭拍攝的“高壓下氫狀態(tài)”,495 GPa為金屬氫

Dias的這篇令人充滿疑問的論文,也為后來的室溫超導(dǎo)撤稿事件埋下一個(gè)伏筆。
既然在金屬氫中實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)非常困難,是否可以另尋思路?
其實(shí)科學(xué)家早就意識(shí)到了,一些氫的化合物有可能不需要那么高的壓力,就能實(shí)現(xiàn)金屬化甚至很高溫度的超導(dǎo)。因?yàn)槠鋬?nèi)部由于元素間化學(xué)鍵的存在,會(huì)產(chǎn)生足夠大的 “化學(xué)壓力”,如果化學(xué)壓力剛好與外部壓力是同等正向效應(yīng),就不再需要那么高的外部壓力,實(shí)驗(yàn)也相對(duì)容易成功。

理論計(jì)算對(duì)發(fā)現(xiàn)這些材料的高壓超導(dǎo)電性起到了非常關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的挑戰(zhàn)來自于這些化合物需要在高溫高壓下合成并進(jìn)一步加到極端高壓再測(cè)量,用一束極小的激光打入金剛石對(duì)頂砧內(nèi)部充分加熱,一不小心就有爆炸的危險(xiǎn)。在如此極端的條件下,面對(duì)金剛石內(nèi)部那極少的一丁點(diǎn)兒樣品,如何測(cè)定材料的化學(xué)結(jié)構(gòu),還要準(zhǔn)確測(cè)量到電、磁、光、熱等方面的物理性質(zhì),只能是難上加難。

從論文發(fā)表的信息來看,這篇文章從7月21日投稿,到9月8日接收,前后大約50天,在 Nature 的漫長(zhǎng)審稿周期中算是非??斓?。然而,和Dias發(fā)表的金屬氫那篇論文一樣,這篇文章從發(fā)表當(dāng)天開始,就遭到了科學(xué)界廣泛的質(zhì)疑。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家普遍認(rèn)為 “論文數(shù)據(jù)過于漂亮了,超導(dǎo)零電阻的轉(zhuǎn)變非常陡峭,相關(guān)結(jié)果存在一系列的問題”,理論物理學(xué)家則覺得 “數(shù)據(jù)結(jié)果有?;疚锢怼?/span>(圖7)。

質(zhì)疑聲音最大的,是加州大學(xué)圣地亞哥分校的理論物理學(xué)家 Jorge Hirsch,對(duì)了,就是他發(fā)明的H-index,指一名科研人員至多有h篇論文分別被引用了至少h次,常常被用來做科研人員影響力的排名,但他自己都反對(duì)用這個(gè)指數(shù)來評(píng)價(jià)論文。
對(duì)于這篇論文,Hirsch指出,“問題很嚴(yán)重,不能聽之任之,更不能用不同科學(xué)觀點(diǎn)的借口來掩蓋”。隨后,以Hirsch為代表的一眾理論家開啟了“拍磚模式”,主戰(zhàn)場(chǎng)設(shè)在預(yù)印本平臺(tái)arXiv,因?yàn)槲恼聝?nèi)容和格式不需要經(jīng)過嚴(yán)格同行評(píng)議就能快速發(fā)表。批評(píng)意見起初懷疑論文中磁性測(cè)量的結(jié)果不符合一些基本物理定理,后來發(fā)展到Hirsch直接指出關(guān)于抗磁磁化率的結(jié)果可能是 “人為捏造” 的,認(rèn)為作者可能虛構(gòu)了一條沒經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的 “背景信號(hào)” 用來扣除所謂的數(shù)據(jù)背景,得到了抗磁信號(hào)作為超導(dǎo)電性的關(guān)鍵證據(jù) [22-26]。
確實(shí),極端高壓下的抗磁信號(hào)測(cè)量,相當(dāng)于大白天陽光下去尋找天上的某一顆暗淡的星星一樣困難。所以,Dias認(rèn)為在高壓領(lǐng)域,抗磁信號(hào)的得出,就是要扣除高壓裝置帶來的極強(qiáng)背景信號(hào),才能得到,他們這么做是業(yè)界“常規(guī)操作”。問題的關(guān)鍵在于,他們并沒有在論文或補(bǔ)充材料中明確給出磁性測(cè)量的原始數(shù)據(jù)以及背景信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)處理過程的不公開透明為這篇文章的結(jié)論蒙上了陰影。在Hirsch之后,作為回應(yīng),Dias等人在2021在arXiv張貼論文給出了磁化率的原始數(shù)據(jù)以及背景扣除方法(圖8)[27]。

康奈爾大學(xué)的 B. Ramshaw 認(rèn)為事實(shí)結(jié)果被越描越黑。但Hirsch的懷疑也并非空穴來風(fēng)。實(shí)際上2009年在 Physical Review Letters 發(fā)表的一篇關(guān)于Eu高壓超導(dǎo)的論文,在Hirsch的敏銳調(diào)查下就發(fā)現(xiàn)存在類似的磁化率數(shù)據(jù)處理不當(dāng)問題,并于2021年12月23日經(jīng)作者同意撤稿(圖9)[28,29]。那篇文章的第一作者M(jìn). Debessai,正是負(fù)責(zé) “C-S-H室溫超導(dǎo)” 這篇Nature論文中磁測(cè)量的作者!

幾個(gè)回合下來,這架吵的越來越激烈,Hirsch的論文題目里甚至出現(xiàn)了 “scientific fraud” 這種令科學(xué)家難以接受的詞匯,連一貫寬松的arXiv預(yù)印本平臺(tái)都看不下去了,在2022年2月一度禁止Hirsch登錄該平臺(tái)貼論文(圖10)。

圖10 Hirsch等人在arXiv發(fā)表了大量質(zhì)疑氫化物高壓超導(dǎo)的論文[22-26]
Hirsch的質(zhì)疑文章有幾篇正式發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上,其中最為深刻的就是和瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的 Dirk van der Marel 在2022年9月15日發(fā)表的一篇長(zhǎng)文 [30-32],他們對(duì)Dias等人所謂的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了非常詳細(xì)的分析,堅(jiān)定地認(rèn)為這些數(shù)據(jù)存在明顯的 “人造痕跡”:所謂的 “超導(dǎo)信號(hào)” 來自于一個(gè)分段函數(shù)加連續(xù)函數(shù)的疊加,所謂的“背景信號(hào)”存在人為構(gòu)造的非隨機(jī)噪音,而所謂 “原始數(shù)據(jù)” 就是兩者相加的結(jié)果(圖8)!他們用了 “pathological”(不可理喻的)一詞來形容Dias論文中的磁化數(shù)據(jù)結(jié)果。正是這篇論文,最終導(dǎo)致了Nature的編輯在2022年9月26日做出了撤稿的決定,即便論文的9位作者都不同意撤稿——此前從2021年8月30日起,Nature編輯部就已和作者多次溝通,顯然作者團(tuán)隊(duì)并沒有做出令人信服的回應(yīng)(圖11)。

撤稿并非結(jié)束,室溫超導(dǎo)驗(yàn)證還需時(shí)間
Dias等人顯然對(duì)撤稿的決定非常不服氣,堅(jiān)決認(rèn)為他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)受得住理論和實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)。論文的另一位作者,內(nèi)華達(dá)大學(xué)的 A. Salamat 也指出撤稿的關(guān)鍵因素還是磁化率的數(shù)據(jù)問題,而零電阻的數(shù)據(jù)并沒有問題,而后者恰恰是高壓領(lǐng)域用來作為超導(dǎo)的主要證據(jù),他對(duì)編輯部做出撤稿決定表示困惑和失望。他說,研究團(tuán)隊(duì)歡迎全世界的科學(xué)家到實(shí)驗(yàn)室去參觀討論,并且認(rèn)為Hirsch等人作為理論家的指責(zé)帶有偏見,因?yàn)椴糠謱?shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)在7月被重復(fù)出來了,并給出了一些可能的材料結(jié)構(gòu)[33]【注:該論文部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果的作者與此前Nature論文相同】。
Dias計(jì)劃把磁性測(cè)量的原始數(shù)據(jù)以及背景扣除等信息添加進(jìn)去,重新投稿這篇論文。他和Salamat甚至成立了一家公司叫做 “Unearthly Materials”,試圖探索可商業(yè)化應(yīng)用的室溫超導(dǎo)材料(圖12)。在今年夏天的學(xué)術(shù)會(huì)議上,Dias聲稱他又發(fā)現(xiàn)了一種新的氫化物超導(dǎo)體,是2020年關(guān)于C-S-H體系的延伸。Salamat自信滿滿地宣稱他們正在開創(chuàng) “高溫超導(dǎo)的新紀(jì)元”。不過這回Eremets不太相信了:“怎么可能?怎么啥東西都能被他點(diǎn)石成金呢?”

圖12 羅切斯特大學(xué)R. P. Dias的個(gè)人簡(jiǎn)介
這件事情也并未因撤稿而徹底結(jié)束。鑒于 “室溫超導(dǎo)” 的發(fā)現(xiàn)對(duì)科學(xué)界造成了巨大影響,也被評(píng)為 “2020年度十大進(jìn)展” 等,還獲得了一系列的獎(jiǎng)項(xiàng)(圖13),Hirsch對(duì)撤稿的決定并不是完全滿意。他甚至到Dias的工作單位、資助機(jī)構(gòu)乃至美國的科研主管部門都統(tǒng)統(tǒng) “告狀” 了一遍,Dias最后被迫下了 “休戰(zhàn)書”,兩人都同意不在arxiv等平臺(tái)爭(zhēng)論了。

而曾經(jīng)也被質(zhì)疑但經(jīng)受住了考驗(yàn)的Eremets,并沒有因這次撤稿事件而對(duì)高壓氫化物超導(dǎo)的研究放棄信心,他認(rèn)為只要 “大膽假設(shè)加小心求證”,經(jīng)受過同行的廣泛質(zhì)疑和時(shí)間的考驗(yàn),真相遲早會(huì)浮出水面(圖14)[35]。

的確,這次事件在超導(dǎo)領(lǐng)域泛起的漣漪,何時(shí)會(huì)回歸平靜尚未可知,但人們對(duì)室溫超導(dǎo)的孜孜不倦探索不會(huì)因此停滯。我們期待,常壓下的室溫超導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn),超導(dǎo)的大規(guī)模應(yīng)用也終將到來!(圖15)

圖15 科幻電影《阿凡達(dá)》里的常壓室溫超導(dǎo)材料

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制版編輯 | 姜絲鴨