新智元報(bào)道
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編輯:編輯部
【新智元導(dǎo)讀】室溫超導(dǎo)的物理學(xué)圣杯,被這位黑歷史重重的美國(guó)科學(xué)家摘下了?不如讓子彈再飛一會(huì)。
人類(lèi)在21℃條件下實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)了?
物理圈徹底炸了!北京時(shí)間昨天下午,一顆驚雷在美國(guó)拉斯維加斯舉辦的物理學(xué)會(huì)上炸響——高溫超導(dǎo)疑似實(shí)現(xiàn)顛覆性突破。
會(huì)議上,美國(guó)羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家Ranga Dias報(bào)告了這個(gè)室溫超導(dǎo)研究的里程碑式突破。
假如這次Ranga Dias真的實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo),那全球的能耗問(wèn)題,將從源頭上解決——人類(lèi)將利用電能獲得巨大的力量。
如果再?gòu)母险莆樟丝煽睾司圩?,我們甚至可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的太空旅行,可以說(shuō),人類(lèi)就真的要起飛了。
而掌握這項(xiàng)技術(shù)的人,無(wú)疑將引領(lǐng)世界。(簡(jiǎn)直是科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。)
對(duì)此,佛羅里達(dá)大學(xué)的物理學(xué)家James Hamlin表示,如果結(jié)果是正確的,這可能是超導(dǎo)歷史上最大、最震撼的突破。
當(dāng)天,科學(xué)家們瘋狂涌入會(huì)場(chǎng),都希望自己能親眼見(jiàn)證歷史。由于物理大咖含量過(guò)高,主辦方不得不叫來(lái)安保拼命堵門(mén),驅(qū)趕人群。
然而呢,這位Ranga Dias卻有「黑歷史」的前科。一年前,他發(fā)在Nature上的C-S-H室溫超導(dǎo)文章曾被撤稿,如今他又帶著N-Lu-H的室溫超導(dǎo)卷土重來(lái)。
所以說(shuō),在實(shí)驗(yàn)結(jié)果能成功復(fù)現(xiàn)之前,目前整件事還是疑云重重。
論文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0
再登Nature,室溫超導(dǎo)迎來(lái)大結(jié)局?
室溫超導(dǎo)為何如此重磅,讓全世界物理學(xué)家震驚?
超導(dǎo)體,顧名思義就是超級(jí)能導(dǎo)電的體,也就是電阻為零。這樣就傳輸電流就不會(huì)發(fā)熱,電線(xiàn)兩端不需要電壓。
如果超導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)商用,交流電就根本不需要了,變電站也可以退出歷史舞臺(tái)了。
而通過(guò)超導(dǎo)體的電流很大,就可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng),在核磁共振、磁懸浮等領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用,連可控核聚變都不需要液氮超導(dǎo)了。
如果真的實(shí)現(xiàn),物理學(xué)、材料學(xué)界都會(huì)迎來(lái)一場(chǎng)大地震,人類(lèi)會(huì)直接開(kāi)啟第四次工業(yè)革命。 (從去年底的ChatGPT,到今年初的室溫超導(dǎo),人類(lèi)科技的爆發(fā)年真的來(lái)了? )
高溫超導(dǎo)泰斗朱經(jīng)武教授也出現(xiàn)在了會(huì)場(chǎng)
超導(dǎo)是什么?
荷蘭萊頓大學(xué)K. Onnes等人于1911年首次發(fā)現(xiàn)在溫度冷卻到-269°C以下時(shí),水銀的電阻會(huì)變?yōu)?。他們將這種狀態(tài)命名為「超導(dǎo)」。
這是世界首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象,Onnes也憑此斬獲了1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
在之后的一百多年研究中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了成千上萬(wàn)種超導(dǎo)材料,包括各種元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。
盡管目前的超導(dǎo)材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用到量子、MRI核磁成像等領(lǐng)域,但必須被冷卻到超低溫中才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。
也就是說(shuō),我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中,還是需要依靠昂貴的低溫液體來(lái)維持低溫環(huán)境。隨之而來(lái)的是,維持低溫的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了超導(dǎo)材料的成本。
因此,室溫超導(dǎo),無(wú)需冷卻的條件下實(shí)現(xiàn)零電阻導(dǎo)電,成為物理學(xué)家們的追求的目標(biāo),不斷刷新最高臨界溫度的極限。
在此次的最新研究中,Ranga Dias和他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中研發(fā)了一種由氫(99%)、氮(1%)和純镥制成的材料LNH。
科學(xué)家將這一材料放置在392k的環(huán)境中反應(yīng)3天。由氫、氮和镥組成的三元化合物最初是一種有光澤的藍(lán)色。
這一化合物又被壓縮在鉆石砧槽中,在壓力達(dá)到3kbar時(shí),發(fā)生了一個(gè)驚人的變化「超導(dǎo)開(kāi)始從藍(lán)色變?yōu)榉奂t色」。
最后,在約30kbar壓力下又變成了亮紅色,電阻降至零。
Ranga Dias為這一震驚發(fā)現(xiàn)的材料還起了一個(gè)代號(hào)「reddmatter」。這一名稱(chēng)是受到了《星際迷航》中Spock創(chuàng)造的一種材料名字的啟發(fā)。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這種材料在約21攝氏度的溫度,以及1GPa的壓力下失去了任何對(duì)電流的阻力,進(jìn)入了超導(dǎo)狀態(tài)。
1GPa大約是大氣壓的10000倍(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓約為101.325kPa),但是相比于室溫超導(dǎo)體所需的數(shù)百萬(wàn)個(gè)大氣壓,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。
那么如何證明這種三元化合物達(dá)到了超導(dǎo)的條件?
論文中提到,評(píng)判超導(dǎo)材料的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn),邁斯納效應(yīng)(Meissner effect),即完全抗磁性。
能夠?qū)崿F(xiàn)完全抗磁,是因?yàn)槌瑢?dǎo)體表面能夠產(chǎn)生一個(gè)無(wú)損耗的抗磁超導(dǎo)電流。這一電流產(chǎn)生的磁場(chǎng),抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)。
在量子設(shè)計(jì)物理性能測(cè)量系統(tǒng)(PPMS)上,利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)方法測(cè)量了不同溫度下磁矩和 M-H 曲線(xiàn)的溫度依賴(lài)性。
圖3a顯示了在零場(chǎng)冷卻(ZFC)和場(chǎng)冷卻(FC)條件下,溫度對(duì)直流磁化率的影響。(χ = M/H,其中M是磁化強(qiáng)度,H是磁場(chǎng))
然后通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)中冷卻的邁斯納效應(yīng),證實(shí)了超導(dǎo)相的存在。在大約8kbar的277K處觀(guān)察到明確的邁斯納效應(yīng)的開(kāi)始。M-H的曲線(xiàn)數(shù)據(jù)采用帶VSM選項(xiàng)的PPMS記錄。
磁化率
另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是零電阻效應(yīng)。
是指在室溫時(shí)是導(dǎo)體或半導(dǎo)體,甚至是絕緣體,可是當(dāng)溫度下降到某一特定值Tc時(shí),它的直流電阻突然下降為零的這一現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)中,在高壓下氫-氮-镥化合物的溫度依賴(lài)性電阻,表明在10±0.1 kbar時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變高達(dá)294K,是所有實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的最高轉(zhuǎn)變溫度。
Nature稱(chēng),如果氫-氮-镥三元化合物確實(shí)是實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo),那么它在實(shí)現(xiàn)如此高的轉(zhuǎn)變溫度中的作用還有待確定。
需要進(jìn)一步的研究來(lái)證實(shí)Ranga Dias及其團(tuán)隊(duì)研究的材料是一種高溫超導(dǎo)體,然后才能了解這種狀態(tài)是由振動(dòng)引起的庫(kù)珀對(duì)(vibration-induced Cooper pairs )驅(qū)動(dòng)的,還是由一種尚未發(fā)現(xiàn)的非常規(guī)機(jī)制驅(qū)動(dòng)的。
預(yù)測(cè)新材料的機(jī)器學(xué)習(xí)算法
值得注意的是,這次實(shí)驗(yàn)在預(yù)測(cè)新型超導(dǎo)材料時(shí),還用到了機(jī)器學(xué)習(xí)算法。
利用實(shí)驗(yàn)室中積累的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練了一種算法,預(yù)測(cè)其他可能的超導(dǎo)材料。
這些材料實(shí)際上是從數(shù)以千計(jì)的稀土金屬、氮、氫和碳的可能組合中,混合和匹配而成的。
「在日常生活中,不同的金屬被用于不同的應(yīng)用,因此我們也需要不同種類(lèi)的超導(dǎo)材料,」Dias 說(shuō)。「就像我們?yōu)椴煌膽?yīng)用使用不同的金屬一樣,我們需要更多的環(huán)境超導(dǎo)體,來(lái)滿(mǎn)足不同的應(yīng)用?!?/p>
據(jù)稱(chēng),算法由合著者Keith Lawlor開(kāi)發(fā),使用的是羅徹斯特大學(xué)綜合研究計(jì)算中心提供的超算資源。
具體來(lái)說(shuō),大概步驟是物理學(xué)家用比較容易算出來(lái)的Eliashberg譜函數(shù)來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),訓(xùn)練好后,再用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成更多比較難算的三元?dú)浠锏腅liashberg譜函數(shù)。然后就能計(jì)算出各種三元?dú)浠锏腡c,然后只需試幾種Tc最高的三元?dú)浠锛纯伞?/p>
有網(wǎng)友總結(jié)道:「現(xiàn)在我們知道了,今天的這個(gè)刷屏大新聞,幕后的英雄還是ML/AI?!?/p>
學(xué)界表示懷疑,作者不想公開(kāi)
而即使這次實(shí)驗(yàn),也并不嚴(yán)謹(jǐn)。據(jù)稱(chēng),會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)就有大佬提出質(zhì)疑,當(dāng)場(chǎng)和Dias對(duì)轟。
有眼尖的網(wǎng)友指出,PPT中摳背景的做法(圖左)和DC磁化率數(shù)據(jù)(圖右)都疑似有問(wèn)題。
來(lái)自B站網(wǎng)友「sddtc888」
同樣,Nature和Science也在新聞稿中表達(dá)了質(zhì)疑。
文章地址:https://www.nature.com/articles/d41586-023-00599-9
文章地址:https://www.science.org/content/article/revolutionary-blue-crystal-resurrects-hope-room-temperature-superconductivity
佛羅里達(dá)大學(xué)物理學(xué)家James Hamlin表示:「我認(rèn)為他們必須把自己的工作真正地公開(kāi)出來(lái),大家才可能會(huì)相信它。」
加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家Jorge Hirsch更是直言:「我對(duì)此表示強(qiáng)烈的懷疑,因?yàn)槲也幌嘈胚@些作者?!?/p>
然而,學(xué)界的這個(gè)愿望可要落空了——
Dias不僅成立了一家初創(chuàng)公司Unearthly Materials,而且還申請(qǐng)了關(guān)于氫化镥的專(zhuān)利。
憑借這波操作,他不僅從包括Spotify和OpenAI在內(nèi)的投資者那里籌集了超過(guò)2000萬(wàn)美元的資金,而且還不用擔(dān)心別人找會(huì)上門(mén)來(lái)要「樣品」。
對(duì)此,Dias表示:「我們對(duì)如何制作樣品有明確、詳細(xì)的說(shuō)明。考慮到工藝的專(zhuān)有性和存在的知識(shí)產(chǎn)權(quán),我們并不打算分享這種材料,當(dāng)然也包括其中的方法和過(guò)程?!?/p>
對(duì)人類(lèi)的劃時(shí)代意義
一個(gè)多世紀(jì)以來(lái),科學(xué)家們一直在追求凝聚態(tài)物理學(xué)的突破。
而超導(dǎo)材料憑借著兩個(gè)關(guān)鍵特性「零電阻現(xiàn)象」和「邁斯納效應(yīng)」(完全抗磁性),對(duì)科技的進(jìn)步有著極?的促進(jìn)作?,比如:
可控核聚變
托卡馬克裝置,是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。其中央是一個(gè)環(huán)形的真空室,外面纏繞著線(xiàn)圈。在通電的時(shí)候托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng),將其中的等離子體加熱到很高的溫度,以達(dá)到核聚變的目的。
而在產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的線(xiàn)圈上應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù),則可以使磁約束位形能連續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,是公認(rèn)的探索和解決未來(lái)聚變反應(yīng)堆工程及物理問(wèn)題的最有效的途徑。
電力輸送
電網(wǎng)在傳輸電力時(shí),不會(huì)像現(xiàn)在那樣因電線(xiàn)中的電阻而損失高達(dá)2億兆瓦時(shí)(MWh)的能量。
據(jù)統(tǒng)計(jì),用銅或鋁導(dǎo)線(xiàn)輸電,約有15%的電能損耗在輸電線(xiàn)路上,光是在中國(guó),每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電,節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠(chǎng)。
交通運(yùn)輸
磁懸浮高速列車(chē)。
不過(guò)這種磁懸浮技術(shù)可以不光用于交通領(lǐng)域,還可以用于建筑領(lǐng)域。也許將來(lái)人類(lèi)生活在空中就不再是夢(mèng)想了。
醫(yī)學(xué)成像
更加廉價(jià)的醫(yī)療成像和掃描技術(shù),如核磁共振和心磁圖。
MRI不再需要使用大量的循環(huán)水冷卻去維持其運(yùn)行,故運(yùn)行費(fèi)用會(huì)變得更低,磁場(chǎng)強(qiáng)度卻更好。
電子設(shè)備
用于數(shù)字邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備技術(shù)的更快、更高效的電子設(shè)備。
想象一下,你的電腦沒(méi)有電阻,不再需要散熱,電腦可以更輕薄。而且使用超導(dǎo)晶體管的集成電路,電腦的速度直接可以有幾十幾百倍的提升。
用電的效率會(huì)更高,家里的用電量直線(xiàn)降低,燈泡卻更亮了,電動(dòng)車(chē)跑的更快了,電器的使用變得更加方便,更多的精細(xì)電元件可以使用到我們的生活中。
來(lái)源:phys.org
量子計(jì)算
2013年,兩位著名的量子計(jì)算專(zhuān)家,耶魯大學(xué)教授Devoret和Schoelkopf寫(xiě)了一篇展望,給出了通用量子計(jì)算發(fā)展的一個(gè)路線(xiàn)圖,而如今的超導(dǎo)量子計(jì)算已經(jīng)處在第三到第四階段發(fā)展的水平。
MIT的研究組顯示超導(dǎo)量子比特退相干時(shí)間的「摩爾定律」,從最早第一個(gè)量子比特不到3納秒,提高到了現(xiàn)在300微秒的水平。不到二十年的時(shí)間,提高了五個(gè)數(shù)量級(jí),可見(jiàn)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展速度之快。
而且?guī)讉€(gè)著名的科技公司,包括Google、IBM、Intel等,都參加到了量子計(jì)算研發(fā)的行列中來(lái),而他們都選擇的是超導(dǎo)的方案。
如果室溫超導(dǎo)可行的話(huà),量子計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用,包括量子模擬、優(yōu)化、采樣、量子人工智能等等想必就會(huì)在不久的將來(lái),開(kāi)始改變我們的生產(chǎn)和生活方式。
黑歷史重重,前一個(gè)研究剛被撤稿
這次事件一出來(lái),質(zhì)疑的聲浪就很大,這也是因?yàn)槿?nèi)人都知道,Dias可是「老」學(xué)術(shù)明星了,前科重重。
在14年,他研究出來(lái)的金屬氫被吹得天花亂墜,但是當(dāng)人們想要查驗(yàn)實(shí)驗(yàn)成果時(shí),Dias卻聲稱(chēng)用于保存金屬氫的金剛石碎了,因而死無(wú)對(duì)證。
而在室溫超導(dǎo)領(lǐng)域,Dias兩年前就搞出過(guò)一個(gè)大新聞。
2020年10月14日,Dias團(tuán)隊(duì)就在Nature上發(fā)稿并登上封面,聲稱(chēng)一種碳、硫和氫組合成的新材料能夠?qū)崿F(xiàn)室溫超導(dǎo),一時(shí)引起全球轟動(dòng)。
然而在論文發(fā)表后,爭(zhēng)議不斷。即使是Dias的實(shí)驗(yàn)室合作伙伴,都未能復(fù)現(xiàn)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(做了6次均失?。?。
種種爭(zhēng)議主要圍繞文章中磁化率的測(cè)量數(shù)據(jù)——噪聲處理后的曲線(xiàn)太平滑、太完美了,而Dias團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō),在去除噪聲后測(cè)到了原始數(shù)據(jù),但這一數(shù)據(jù)并未公布。
為了回應(yīng)質(zhì)疑,Dias等2021年在arXiv發(fā)布了原始磁化率數(shù)據(jù),并且對(duì)其消除噪聲信號(hào)的方法給出解釋。
然而批評(píng)者仍不買(mǎi)賬,康奈爾大學(xué)的量子材料物理學(xué)家Brad Ramshaw認(rèn)為,「這篇文章暴露出的新問(wèn)題比它試圖解決的還要多,不管是原始數(shù)據(jù),還是得到數(shù)據(jù)的過(guò)程,都非常不透明?!?/p>
加州大學(xué)圣地亞哥分校的理論物理學(xué)家Jorge Hirsch更是言辭激烈地指責(zé)Dias造假,不僅在arXiv發(fā)表抨擊言論,還直接向羅徹斯特大學(xué)投訴。
作為被引用3.5萬(wàn)+,H-index 67的大牛,Hirsch的質(zhì)疑也是有理有據(jù)的。 他看到Dias論文中某些區(qū)域的數(shù)據(jù)非常不連續(xù),而且曲線(xiàn)斜率和變化方向相反,這種有規(guī)律的誤差并不正常。
于是Hirsch對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分,相當(dāng)于去除「雜質(zhì)」,卻得到了一條平滑、可導(dǎo)的曲線(xiàn),這意味著T=170K是并不存在超導(dǎo)特征。
他還指出Dias論文中的數(shù)據(jù)與之前研究存在相似性,而當(dāng)年那些數(shù)據(jù)的作者已經(jīng)承認(rèn)了有問(wèn)題。
Dias回應(yīng)稱(chēng)Hirsch并非高壓物理學(xué)家,他的批評(píng)帶著強(qiáng)烈的偏見(jiàn)。
事實(shí)上,Hirsch在量子多體研究方面有很大的貢獻(xiàn),他完善了費(fèi)米子行列式的蒙特卡洛算法,且這幾年一在研究各種高壓超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和BCS理論。
Hirsch直言BCS超導(dǎo)理論存在「漏洞」,大量學(xué)者在該領(lǐng)域灌水
Hirsch隨后發(fā)表的幾篇批評(píng)Dias的論文被刪除,arXiv甚至將其禁言6個(gè)月。這是否意味著Dias的勝利呢?
Hirsch的質(zhì)疑文章被Physica C刪除
并非如此!
2022年,質(zhì)疑聲隨著論文的撤稿達(dá)到高潮。在9月26日,Nature編輯不顧作者集體反對(duì),強(qiáng)制撤下封面文章。
撤稿當(dāng)天,Science新聞欄目對(duì)該事件進(jìn)行了報(bào)道,稱(chēng)該研究「有嚴(yán)重問(wèn)題」。
撤稿通知給出的理由回應(yīng)了之前的質(zhì)疑,表示Dias團(tuán)隊(duì)「使用了一種非標(biāo)準(zhǔn)、自定義的程序」,從兩個(gè)圖顯示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中去除噪聲,而這一方法并沒(méi)有給出清楚、可靠的解釋。
批評(píng)者樂(lè)得看到撤稿的結(jié)果,Hirsch甚至覺(jué)得這還不夠,學(xué)術(shù)造假這個(gè)真正的問(wèn)題還沒(méi)有被處理。
Dias團(tuán)隊(duì)顯然并不服氣,團(tuán)隊(duì)成員內(nèi)華達(dá)大學(xué)達(dá)拉斯分校的物理學(xué)家Ashkan Salamat表示對(duì)Nature的這一決策感到困惑和失望,因?yàn)檠芯恐须娮柘陆档慕Y(jié)果并不處在爭(zhēng)論的漩渦中心,而這恰恰是任何超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)中最重要的部分。
上個(gè)月他們還在arXiv發(fā)表新文章,重新測(cè)量了受到質(zhì)疑的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。但這次超導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)的溫壓條件為133Gpa、260K,與之前研究中所稱(chēng)的267Gpa、288K并不相同。
有意思的是,本次APS March Meeting 將Jorge Hirsch與Ranga P. Dias安排在同一個(gè)會(huì)場(chǎng),前后腳做報(bào)告,Hirsch纏著繃帶的形象,頗有既分高下,也決生死的氣勢(shì)。
不過(guò),如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果為真,那就妥妥是今年最大的全球科學(xué)突破,Dias也可以提前預(yù)定諾獎(jiǎng)了。
而人類(lèi)的能源模式,也將永遠(yuǎn)改變。
1900年,英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文男爵說(shuō),物理的大廈已經(jīng)落成,所剩的只是一些修飾性工作。第一朵烏云是光的波動(dòng)理論,第二朵烏云是能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論。
還有一個(gè)說(shuō)法是,誰(shuí)能搞出室溫超導(dǎo),誰(shuí)就是繼牛頓和愛(ài)因斯坦之后的物理學(xué)第三人。
Dias會(huì)摘下這個(gè)桂冠、解決物理學(xué)的第三朵烏云嗎?讓我們靜觀(guān)后續(xù)。
參考資料:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0
https://www.quantamagazine.org/room-temperature-superconductor-discovery-meets-with-resistance-20230308/
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