南大团队推翻美国室温超导研究成果，证明镥氮氢材料不存在超导性

(资料图片)

2023 年 3 月 7 日，美国罗切斯特大学教授郎加·迪亚斯（）在美国物理学年会上宣布发现了近常压的室温超导体，相关论文随后发表在Nature 上，引起了领域内的广泛关注。 随后，很多研究人员对这个“轰动”的结果提出质疑。全球多个课题组根据所发表论文提供的实验条件进行了复现，均未能实现室温超导。 图丨（来源：南京大学） 3 月 15 日，南京大学教授团队在预印本网站 arXiv 发布了一篇论文推翻了的结论。仅两个月后，相关论文于 2023 年 5 月 11 日在线发表在 Nature 上，题为《LuH 2 ±xNy 在近常压下无超导电性》（ ）[1]。 该论文的共同第一作者是博士生明学和张英杰，共同通讯作者是南京大学副教授、李庆助理研究员和教授。 图丨相关论文（来源：Nature） 在预印版初稿中，团队发现从环境压力到 6.3Gpa，温度低至 10K，镥氮氢材料 LuH 2 ±xNy 中不存在超导性。这仅对常压或近常压下条件下该材料的性质进行了测试，在最新发表于Nature 的论文里，补充了大量的新数据。 结果显示，在高达 40.1GPa 的压力下和低至 2K 的温度下，镥氮氢材料 LuH 2 ±xNy 中都不存在超导电性。这表明该材料不仅非近常压下的室温超导材料，甚至都不具备环境超导性。 （来源：Nature） 最初，团队在得知公布的结果后，根据论文中给出的条件，尝试复刻其实验。但研究团队认识到实验方案是不可行的。在 65℃ 下，通过金刚石砧加压至 1 万个大气压，让镥、氮气、氢气发生反应。 但这个反应在 65℃ 下几乎完全无法实现，除非采用激光加热。于是，团队结合自身的条件，采用高温高压反应炉合成镥氮氢材料。X 射线衍射的结果显示他们合成的材料为面心立方结构（空间点群为 Fmm），与的样品组分几乎一致（稍有差别，在仪器误差范围之内）。 此外，能量色散 X 射线光电子能谱的表征结果也证明了这个材料中含有氮元素，其分布式不均匀的，平均原子占比在 1.2% 左右，这与团队的数据相同。 （来源：Nature） 新发表的论文中还补充了拉曼光谱数据，该材料的四个主峰都与所合成样品的一致。他们前后做了 30 多个样品的实验，并均进行了重复实验以保证数据的准确性。多种实验表征结果显示，两个团队所合成材料的结构一致性，这为后续的验证实验打下了坚实的基础。 论文中的新数据里也包含了更高压力下材料的颜色变化，随着压力从 2.1Gpa 逐步增加至 41GPa，合成的材料颜色由深蓝色变为紫色，再变为粉红色。在所有测试的压力条件下，该材料的电阻随着温度下降而减小，但并未出现零电阻现象，即展现超导性。 实际上，Nature原本打算将该论文以 Matter Arising Argument（冲突的争辩）的形式发表，而不是 Research article（研究论文）形式，但团队在回复审稿人审稿意见的过程中，补充了大量详实的数据，使文章的内容更为丰富，所以 Nature最终决定以研究论文的形式发表。 在审稿过程中，审稿人曾质疑团队实验装置的灵敏性。为应对该问题，他们选择了一个已研究多年的铜氧化物超导体 [(Cu, C)Ba 2 Ca 3 Cu 4 O 12 -d]（转变温度为 112K）进行了同样条件的测量。假如实验的 LuH 2 ±xNy 材料呈超导性，那么它的磁测量信号强度应为一致的。 但是，与真正的超导体相比，LuH 2 ±xNy 材料信号要弱约 100 倍，而且仅呈现一个极微弱的正磁矩信号。从结果来看，温度在 100-350K 区间时，无相关超导转变的抗磁信号。实验结果有力地支持了团队的结论，并得到了审稿人的支持。 与此同时，Nature也将实验数据反馈给了团队，但他们表示是样品不一致导致出现了不同的结果。在此之前，在团队的结果发布两天后，中科院物理所研究员就曾提出过质疑，并对过氢化镥材料（Lu 4 H 23 ）进行研究。 根据其实验结果，在 218Gpa 的压强下，氢化镥的超导转变温度是 71K（约-202℃）；如果压强降低到 181Gpa，转变温度会降低到 65K（约-208℃），其超导转变温度远低于室温。但需要了解的是，他们在这个材料中没有加入氮的成分，因此可以说，不算结果的完全复现。 中科院物理所的程金光研究员在其实验中，主要聚焦在亚斯实验结果中，超导材料颜色变化的方面。 按照的说法，该室温超导材料在不同阶段呈不同变化，即制备初始阶段呈现出“有光泽的蓝色”，在压力增加后变为超导，颜色从蓝色渐渐地变成粉红色，最终转为鲜红色，也就是非超导金属状态。其团队通过氢化镥材料进行复现，他们的关注主要在于材料的颜色转变过程是否有超导现象。 根据其预印本网站 arXiv论文，氢化镥在约 2.2Gpa 时由蓝色转变为粉红色；而在约 4Gpa 时转变为亮红色，这与的实验结果接近。然而，程金光课题组在实验过程中确认了无超导现象的发生。他们甚至将这种材料一直加压到 7.7Gpa，温度降低至 1.5K，都没有发现丝毫超导的迹象。 总体来说，根据目前已有的结果，已有诸多证据指出团队的数据存在问题，除非他们能给出令人信服的新数据，但这非常困难。 去伪存真是科学研究中非常重要的一环，科学都是在“发现-否定-再发现”的过程中螺旋前进的。团队的研究虽然只是对团队室温近常压超导结果的否定，但其意义仍然十分重要。 目前看来，室温超导研究仍有很长的路要走，团队的这项研究也激发了科学家探索含氢化合物作为近常压下室温超导材料的兴趣。

参考资料：

1.Ming, X., Zhang, YJ., Zhu, X. et al. Absence of near-ambient superconductivity in LuH2±xNy. Nature(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06162-w

运营/排版：刘雅坤

标签：