徹底改變?nèi)祟惪萍嫉氖覝爻瑢?dǎo)，突破還是烏龍？也許不用等太久
撰文| 項(xiàng)棟梁
責(zé)編| 李珊珊
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2023年3月，美國物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，羅切斯特大學(xué)的蘭加?迪亞斯（Ranga P. Dias）團(tuán)隊(duì)宣布：他們?cè)?GPa（約等于1萬個(gè)大氣壓）的壓強(qiáng)下，镥-氮-氫體系材料中實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。
物理學(xué)界炸了，整個(gè)世界沸騰了。
很少有科學(xué)發(fā)現(xiàn)能像在室溫、相對(duì)溫和的壓力下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性的材料那樣徹底地改變?nèi)祟惪萍肌Ｔ谀茉春铜h(huán)境問題日漸突出的當(dāng)今世界，超導(dǎo)對(duì)能源、交通、信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，說是掀起新一輪的工業(yè)革命也不為過，這也是為什么室溫超導(dǎo)材料會(huì)被稱為物理學(xué)的圣杯。
3月9日，迪亞斯團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究的論文正式發(fā)表在《自然》雜志上。然而，與論文一起發(fā)布的評(píng)論文章中指出，這個(gè)圣杯上面隱隱約約的裂紋：“相關(guān)的測量是一致而全面的，然而，考慮到作者的學(xué)術(shù)履歷，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)無疑會(huì)引起爭議。因?yàn)橥粓F(tuán)隊(duì)的研究人員先前發(fā)表的一篇高溫超導(dǎo)材料的論文去年剛被撤回……”
那么，這個(gè)圣杯到底成色幾何，室溫之外，實(shí)驗(yàn)條件中的1萬個(gè)大氣壓到底意味著什么？目前這種“室溫超導(dǎo)”的材料，能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用進(jìn)而改變世界嗎？甚至，這項(xiàng)帶來了一場爆炸新聞的研究本身，靠譜嗎？
“室溫超導(dǎo)”，算成功了嗎？
超導(dǎo)體，因其電阻為零和完全的抗磁性而具備極高的應(yīng)用價(jià)值。但自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)百年以來，超導(dǎo)體一直受困于其應(yīng)用條件——極低的溫度或/和極高的壓強(qiáng)，苛刻的條件使其難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模廣泛的應(yīng)用。
如果某種材料能突破條件限制，在自然條件或相對(duì)溫和的條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性能，將會(huì)對(duì)能源、交通、信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，說是掀起新一輪的工業(yè)革命也不為過。這也是為什么室溫超導(dǎo)材料會(huì)被稱為物理學(xué)的圣杯。
但嚴(yán)格來說，被稱為物理學(xué)圣杯的室溫超導(dǎo)，除了臨界溫度應(yīng)達(dá)到室溫（300開爾文，即27攝氏度）水平，還應(yīng)該包括壓強(qiáng)環(huán)境在1個(gè)大氣壓的常壓狀態(tài)。
這次報(bào)道出來的室溫超導(dǎo)，目前還只實(shí)現(xiàn)了臨界溫度幾乎達(dá)到室溫的突破，其達(dá)到最佳超導(dǎo)狀態(tài)的壓強(qiáng)高達(dá)1萬個(gè)大氣壓，但無論如何，這個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)比之前的270萬個(gè)大氣壓，小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于這個(gè)進(jìn)步的成色，中科院高能物理研究所研究員徐慶金向《知識(shí)分子》解釋：這已經(jīng)是一個(gè)商用設(shè)備可以達(dá)到的壓強(qiáng)了。
不過，商用設(shè)備可以達(dá)到卻并不意味著能夠進(jìn)行廣泛應(yīng)用，長期研究超導(dǎo)材料的中科院物理研究所研究員羅會(huì)仟向《知識(shí)分子》介紹：“評(píng)價(jià)一種超導(dǎo)材料的性能指標(biāo)需要很多方面的參數(shù)，雖然臨界溫度和壓強(qiáng)是最關(guān)鍵的，但也還需要考慮其他臨界參數(shù)，如臨界磁場、臨界電流密度等等。另外，實(shí)際工程應(yīng)用中，材料的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性也至關(guān)重要，實(shí)際應(yīng)用中，想要找到一個(gè)綜合性能指標(biāo)都優(yōu)越的超導(dǎo)材料并不容易。”
除了評(píng)價(jià)這一成果的價(jià)值有多高，學(xué)術(shù)界和媒體更關(guān)心的其實(shí)是這項(xiàng)研究的成色有多真。
主持這一研究的迪亞斯博士在超導(dǎo)領(lǐng)域聲名赫赫，但并不是因?yàn)樗呀?jīng)取得了多么重大的成果，而是因?yàn)樗?jīng)兩次聲稱在超導(dǎo)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)重復(fù)驗(yàn)證。這是他第三次站上超導(dǎo)領(lǐng)域的山頂振臂高呼，難免要經(jīng)受更多的挑戰(zhàn)與質(zhì)疑。
發(fā)表該研究的《自然》雜志評(píng)論認(rèn)為，“相關(guān)的測量是一致而全面的，然而，考慮到作者的學(xué)術(shù)履歷，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)無疑會(huì)引起爭議。因?yàn)橥粓F(tuán)隊(duì)的研究人員先前發(fā)表的一篇高溫超導(dǎo)材料的論文去年剛被撤回。而目前看來， 對(duì)相關(guān)超導(dǎo)材料的獨(dú)立測量將有助于緩解對(duì)該結(jié)果的質(zhì)疑”。
簡而言之，從目前披露的數(shù)據(jù)來看，這篇論文具備一項(xiàng)可靠研究的基礎(chǔ)特征，但基于作者的曾被撤稿的過往，還需要該團(tuán)隊(duì)公開更多的信息，以及接受其他研究團(tuán)隊(duì)的獨(dú)立重復(fù)驗(yàn)證。
好在這一次的爭議應(yīng)該不會(huì)持續(xù)很久。多位相關(guān)專家都向《知識(shí)分子》表示，由于此次研究所需的壓強(qiáng)在實(shí)驗(yàn)室條件下相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，其他研究團(tuán)隊(duì)重復(fù)驗(yàn)證這一成果的門檻并不高，預(yù)計(jì)很快就會(huì)有同行的反饋信息。如果有其他同行能復(fù)現(xiàn)，那這一成果就算是被證實(shí)了，如果多個(gè)實(shí)驗(yàn)室都無法復(fù)現(xiàn)，那大概率這又是迪亞斯博士放的一顆空衛(wèi)星。
屢放衛(wèi)星的天選之子
是的，迪亞斯博士并不是第一次在超導(dǎo)領(lǐng)域放衛(wèi)星了，而且他放的衛(wèi)星一次比一次大，引起的轟動(dòng)一回比一回高。
2017年，當(dāng)時(shí)還在美國哈佛大學(xué)做博士后研究的迪亞斯博士在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，宣稱其在495GPa下制備了金屬態(tài)的氫。金屬氫被認(rèn)為是極有可能成為室溫超導(dǎo)體的材料，但其制備卻極其艱難，學(xué)術(shù)界80多年努力都未能攻克難關(guān)，而嶄露頭角的迪亞斯博士卻一舉奪魁。
然而，正當(dāng)大家期待著迪亞斯所在的團(tuán)隊(duì)利用金屬氫做出更多成果，驗(yàn)證更多超導(dǎo)理論時(shí)，這一寶貴的材料卻因試驗(yàn)過程的“無心事故”而被損毀，并且迪亞斯自己也沒有再重復(fù)實(shí)現(xiàn)過這一壯舉。
也因此，《科學(xué)》雜志對(duì)原先發(fā)表的論文進(jìn)行了更正，迪亞斯博士第一次突破性研究成果的真實(shí)性被打上了一個(gè)問號(hào)。
2020年，《自然》雜志發(fā)表重磅論文，宣布以C-S-H三元體系制備的超導(dǎo)材料在15攝氏度實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)電性。盡管相應(yīng)壓強(qiáng)條件高達(dá)267GPa，但這是高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度首次突破0攝氏度大關(guān)，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(shí)他已來到美國羅切斯特大學(xué)擔(dān)任助理教授。
然而，正當(dāng)學(xué)術(shù)界再次被這位青年才俊所震撼和鼓舞之時(shí)，質(zhì)疑也接踵而至。多名超導(dǎo)領(lǐng)域的知名學(xué)者公開發(fā)表意見，認(rèn)為該論文的重要數(shù)據(jù)存在可疑之處，加州圣地亞哥分校的理論物理學(xué)家Jorge Hirsch甚至直言：相關(guān)結(jié)果是“人為捏造”的。雖然迪亞斯團(tuán)隊(duì)公開了更多數(shù)據(jù)作為回應(yīng)，但并未能平息質(zhì)疑。《自然》雜志經(jīng)與作者團(tuán)隊(duì)多次溝通，也認(rèn)為相關(guān)回應(yīng)不夠充分，最終決定撤稿。
更重要的是，迪亞斯團(tuán)隊(duì)的這一重大成果至今從未被其它團(tuán)隊(duì)重復(fù)驗(yàn)證過。迪亞斯博士第二次突破性研究成果的真實(shí)性又被打了一個(gè)問號(hào)。
再然后就來到了本次的室溫超導(dǎo)研究成果，可以說是將同領(lǐng)域所有研究者遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在身后，真正讓人類看到室溫超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)希望的革命性突破。
這一次，沒有了可以阻止其他實(shí)驗(yàn)室重復(fù)研究的極端苛刻的驗(yàn)證條件，迪亞斯博士將退無可退。
迪亞斯到底是超導(dǎo)領(lǐng)域的“天選之子”，還是屢次愚弄全世界的學(xué)術(shù)騙子，很快就將揭曉答案。
距離工業(yè)革命還有多遠(yuǎn)？
迪亞斯團(tuán)隊(duì)的成果發(fā)布后，不僅在學(xué)術(shù)界引發(fā)強(qiáng)烈關(guān)注，也在全球范圍內(nèi)掀起了一股討論室溫超導(dǎo)的輿論熱潮。在當(dāng)前的全球經(jīng)濟(jì)形勢下，人們對(duì)劃時(shí)代的、顛覆性的科研成果渴盼已久，對(duì)新一輪工業(yè)革命翹首以待。
然而很可惜，即便迪亞斯團(tuán)隊(duì)的成果得到了重復(fù)驗(yàn)證，距離人類獲得真正意義上可以廣泛應(yīng)用的室溫超導(dǎo)體，距離由此引發(fā)的新一輪工業(yè)革命還有很遠(yuǎn)的距離。
首先，這次發(fā)現(xiàn)的N-Lu-H三元超導(dǎo)材料雖然臨界溫度達(dá)到了室溫，但還需要高達(dá)上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。對(duì)于科學(xué)研究來說這是重大突破，但對(duì)工業(yè)應(yīng)用來說這仍然意味著高到難以忽視的成本，對(duì)民用產(chǎn)品來說則完全不具有可行性。突破壓強(qiáng)限制還有很多難題需要解決。
不僅如此，一種超導(dǎo)材料想要得到廣泛應(yīng)用，還必須解決材料成本問題。
羅會(huì)仟介紹，類似三元超導(dǎo)材料即便將來能夠在自然氣壓條件下應(yīng)用，其生產(chǎn)仍然離不開超高壓力——目前通常是利用金剛石對(duì)頂砧——這也意味著其產(chǎn)量提升會(huì)很困難，生產(chǎn)成本也會(huì)非常高。
還有一個(gè)更為關(guān)鍵的問題，镥作為一種稀土元素，在地球上的儲(chǔ)藏量是非常有限的。當(dāng)前镥元素僅在極少數(shù)材料領(lǐng)域被應(yīng)用，暫時(shí)還沒有短缺的問題，一旦需要大規(guī)模用于合成室溫超導(dǎo)材料，其自然儲(chǔ)量將會(huì)是最難突破的瓶頸。一位專家甚至向《知識(shí)分子》開玩笑道：屆時(shí)，镥也許會(huì)成為這個(gè)星球上最貴的元素。
當(dāng)然，即便前面都不是問題，超導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用還必須達(dá)到極高的穩(wěn)定性。
室溫超導(dǎo)材料的眾多應(yīng)用前景中，最被寄予厚望的是推動(dòng)可控核聚變反應(yīng)堆的發(fā)展。然而目前看來，距離這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)還隔著至少兩個(gè)超導(dǎo)體時(shí)代。
徐慶金提到，當(dāng)前應(yīng)用了超導(dǎo)材料的超大型裝置，如LHC（歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）、ITER（國際熱核聚變反應(yīng)堆）等使用的都還是最早的超低溫超導(dǎo)體材料，是數(shù)十年前的技術(shù)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(shí)際上，當(dāng)前的高溫超導(dǎo)材料（可以用便宜的液氮冷卻）已經(jīng)比較成熟，也有很多種選擇，理論上可以大幅降低運(yùn)行成本。但由于穩(wěn)定性及長期運(yùn)行可靠性還沒有得到足夠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，暫時(shí)尚無大規(guī)模應(yīng)用。之前，MIT的實(shí)驗(yàn)性聚變反應(yīng)堆技術(shù)研究中曾嘗試使用新型高溫超導(dǎo)材料（稀土鋇銅氧化物），但很不幸，在極限性能測試過程中，僅一次失超就把線圈給燒壞了。
如果迪亞斯團(tuán)隊(duì)的最新研究成果被證實(shí)，將會(huì)成為新一代的近室溫超導(dǎo)材料，雖然還不能完全達(dá)到室溫超導(dǎo)的條件，但已經(jīng)是極大的跨越。然而，目前的情況看來，這種近室溫超導(dǎo)材料的研究幾乎還不能算是真正起步，距離實(shí)際應(yīng)用就更遠(yuǎn)了。
而全世界所期盼實(shí)現(xiàn)的真正意義上好用的室溫超導(dǎo)材料，可以稱之為未來超導(dǎo)材料。而這些室溫、低壓，對(duì)環(huán)境要求也不高的超導(dǎo)材料的深入研究和廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在甚至還沒有達(dá)到可以討論的程度。
路漫漫其修遠(yuǎn)兮，我們真誠希望迪亞斯團(tuán)隊(duì)的研究成果能夠被證實(shí)，將人類的超導(dǎo)研究往前推進(jìn)一大步。但截至目前，我們還只能保持謹(jǐn)慎樂觀。
