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“室溫超導(dǎo)” 論文曾被撤稿??jī)赡昃W(wǎng)絡(luò)論戰(zhàn)與頂刊的一地雞毛

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“室溫超導(dǎo)” 論文曾被撤稿??jī)赡昃W(wǎng)絡(luò)論戰(zhàn)與頂刊的一地雞毛

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。

圖片來源:圖蟲創(chuàng)意

來源:《知識(shí)分子》

發(fā)布時(shí)間:2022年9月28日

2020年10月14日,Nature發(fā)表的一篇首次實(shí)現(xiàn) “室溫超導(dǎo)” 的封面論文引發(fā)轟動(dòng)。2022年9月26日,在所有論文作者都不同意撤稿的情況下,Nature編輯部撤掉了這篇論文。

過去兩年,超導(dǎo)研究者、中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員羅會(huì)仟對(duì)此事件保持高度關(guān)注。論文剛發(fā)表時(shí),他曾向《知識(shí)分子》表示,此次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù) “有點(diǎn)出奇的好”,“不僅有電阻數(shù)據(jù)、磁化數(shù)據(jù)、Raman光譜數(shù)據(jù),這么高壓力下能做的測(cè)量幾乎都做了”。

2022年9月,羅會(huì)仟對(duì)這一撤稿事件做了詳細(xì)回顧,詳解論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不透明和物理學(xué)者的再分析和論戰(zhàn)如何導(dǎo)致了論文的撤稿。

下附羅會(huì)仟原文:

撰文 | 羅會(huì)仟(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)

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。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.”

鑒于此次撤稿事件對(duì)科學(xué)界的巨大影響,本文以Science的報(bào)道內(nèi)容及已發(fā)表的相關(guān)論文為依據(jù),介紹一下該事件的來龍去脈。有興趣的讀者,歡迎詳細(xì)閱讀文末的參考文獻(xiàn)。

1.  撤稿早有伏筆?

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(wàn)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(guó)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。

圖1 超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)和磁場(chǎng)下的行為(來自《超導(dǎo)“小時(shí)代”》)

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。

目前,常壓下的超導(dǎo)臨界溫度記錄,是1993年發(fā)現(xiàn)的Hg-Ba-Ca-Cu-O體系, 超導(dǎo)臨界溫度Tc為134 K,該材料在高壓下的Tc可提升到165 K(圖2)[4]。人們還嘗試把元素周期表的單質(zhì)幾乎都?jí)毫艘槐?,普遍發(fā)現(xiàn)Tc可進(jìn)一步提升,比如單質(zhì)Ca的Tc在高壓下可以達(dá)到29K,遠(yuǎn)超常壓下的單質(zhì)Tc記錄(即Nb的Tc=9 K)[5]。因此高壓是提高超導(dǎo)溫度的重要途徑,也是探索室溫超導(dǎo)的最佳方案之一。需要特別指出的是,于物理學(xué)家而言,室溫是有明確定義的,即300K,約相當(dāng)于27℃。實(shí)際生活中比較舒適的 “室溫” 大致是15℃-25℃,也就是北方冬天供暖標(biāo)準(zhǔn),和夏天空調(diào)建議溫度。

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(guó)科學(xué)》[6])

理論上預(yù)言,金屬氫就極可能是室溫超導(dǎo)體,但是前提是要在百萬(wàn)級(jí)大氣壓(100 GPa以上)的極端高壓下合成。如此高的壓力,需要借助世界上最硬的物質(zhì)——金剛石來實(shí)現(xiàn),在一對(duì)磨平端面的金剛石形成 “對(duì)頂砧” 再使勁加壓。由于氫本身十分活潑、易燃易爆,而且在高壓下會(huì)發(fā)生 “氫脆” 現(xiàn)象——因?yàn)闅湓貪B入金剛石而導(dǎo)致硬度突然降低碎裂。

金屬氫的實(shí)驗(yàn),從一開始就是巨大的挑戰(zhàn),也譽(yù)為是高壓領(lǐng)域的 “圣杯”,歷經(jīng)80余年都未能拿下 [7]。2016年,英國(guó)愛丁堡大學(xué)E. Gregoryanz等人在325 GPa獲得了氫的一種 “新固態(tài)”,認(rèn)為可能是金屬氫,論文發(fā)表在Nature [8]。2017年,美國(guó)哈佛大學(xué)的 R. P. Dias 和 I. F. Silvera 宣布在495 GPa下實(shí)現(xiàn)了金屬氫,他們觀測(cè)氫在壓力不斷增加過程中,從透明氫分子固體,到黑色不透明的半導(dǎo)體氫,最終到具有金屬反光的金屬氫,論文發(fā)表在 Science [9]。

正當(dāng)業(yè)界一片歡呼,期待Dias和Silvera進(jìn)一步測(cè)量金屬氫是否有室溫超導(dǎo)電性時(shí),他們卻在實(shí)驗(yàn)過程不小心打碎了金剛石,后面也沒再重復(fù)實(shí)驗(yàn)。Dias不再重復(fù)實(shí)驗(yàn)的原因也很簡(jiǎn)單,當(dāng)時(shí)他博后期滿,正忙著找工作,而且論文已經(jīng)被Science接收了。隨之而來的,是一片質(zhì)疑聲,近500 GPa的高壓技術(shù)雖然很難,但國(guó)際上仍有幾個(gè)研究組是可以做到的,但他們卻沒有重復(fù)出來金屬氫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

更令人難以置信的是,這篇論文的關(guān)鍵證據(jù)之一——金剛石對(duì)頂砧里的金屬氫照片,是用iPhone攝像頭拍的(圖3),顯得極其不專業(yè)。據(jù)知情人士透露,在圈內(nèi)科學(xué)家反復(fù)追問下,Dias承認(rèn) “金屬氫” 的實(shí)驗(yàn)成功率并不高,可能也就那么一兩次獲得了“有效”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)??茖W(xué)家們有理由懷疑最終得到的 “金屬反射” 信號(hào)可能來自高壓腔體內(nèi)的金屬墊片,而不是金屬氫本身,作者后來也發(fā)文更正了光電導(dǎo)的數(shù)據(jù)(圖4)。金屬氫是否真的能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo),繼續(xù)是一個(gè)未解謎團(tuán)。

圖3 用iPhone攝像頭拍攝的“高壓下氫狀態(tài)”,495 GPa為金屬氫
圖4 “金屬氫”的Science論文更正

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。

2.  室溫超導(dǎo)發(fā)表即遭質(zhì)疑

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。

不過,新的困難也出現(xiàn)了,那就是在高溫高壓下,氫幾乎可以和絕大部分元素形成化合物,而且結(jié)構(gòu)和物性都非常復(fù)雜難以預(yù)測(cè) [10,11]。在實(shí)驗(yàn)開始之前,先要依賴于理論篩選出合適的氫化物,并大致知道需要多大的壓力才能超導(dǎo),最好能預(yù)測(cè)出該化合物的Tc,否則靠 “瞎貓碰見死耗子” 的模式去探索的話,高昂的實(shí)驗(yàn)成本、極具挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和大量的時(shí)間精力消耗都讓科學(xué)家難以承受。

幸運(yùn)的是,對(duì)于二元?dú)浠?,一些?shù)值計(jì)算軟件就能給出較為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè),進(jìn)而計(jì)算出材料的基本物性。中國(guó)的吉林大學(xué)物理學(xué)院開發(fā)的CALYPSO結(jié)構(gòu)搜索軟件就是重要代表 [12],中國(guó)科學(xué)家據(jù)此預(yù)言出一系列的金屬氫化物超導(dǎo)體,并給出可能的Tc,其中H-S化合物可能實(shí)現(xiàn)80 K甚至204 K的超導(dǎo)電性 [13,14]

果不其然, 在2014年底德國(guó)馬普化學(xué)研究所的 A. P. Drozdov 和 M. I. Eremets 就宣布在硫氫化物中發(fā)現(xiàn)190 K 超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象,對(duì)應(yīng)壓力為150 GPa。在歷經(jīng)8個(gè)多月的不斷質(zhì)疑、調(diào)查、重復(fù)實(shí)驗(yàn)、積累數(shù)據(jù)之后,論文終于在2015年8月17日發(fā)表于Nature,此時(shí)他們已經(jīng)獲的了220 GPa下203 K的Tc歷史新紀(jì)錄,并且提供了抗磁信號(hào)的測(cè)量結(jié)果(圖5)[15]。Eremets本人也經(jīng)受住了業(yè)界的廣泛質(zhì)疑和討論,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被中國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)科學(xué)家重復(fù)驗(yàn)證,H-S化合物的組分和結(jié)構(gòu)也被確定,后續(xù)也不斷有相關(guān)的論文發(fā)表。

圖5 Drozdov和Eremets發(fā)現(xiàn)高壓下硫氫化物的超導(dǎo)電性[15]

此后,高壓氫化物的超導(dǎo)研究變的如火如荼,人們陸續(xù)在Th、Pr、Nd、Y、La、Ce、Ba、Sn、Ca等元素與氫的化合物中找到了超導(dǎo)電性,Tc從幾K到上百K都有(圖6)[16]。其中中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)CaH6在160~180 GPa下達(dá)到了Tc=210 K [17,18],美國(guó)/德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)LaH10在188 GPa下達(dá)到了Tc=260 K [19,20]。

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。

圖6 各種高壓氫化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)時(shí)間、臨界溫度和對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)[16]

2020年10月14日,Nature 發(fā)表了題為 “碳?xì)淞蚧镏惺覝爻瑢?dǎo)電性” 的論文,第一作者為 E. Snider,通訊作者為 R. P. Dias,作者里還有著名的高壓研究專家 A. Salamat [21]。是的,通訊作者就是2017年在Science發(fā)文聲稱實(shí)現(xiàn)金屬氫的Dias,此時(shí)已在美國(guó)羅切斯特大學(xué)任助理教授。論文的關(guān)鍵結(jié)果是C-S-H三元體系在267 GPa左右可以實(shí)現(xiàn)288 K左右的超導(dǎo)電性,對(duì)應(yīng)溫度為15℃。超導(dǎo)材料的Tc,被首次突破到0℃以上,盡管距離室溫300 K還有一步之遙,論文的題目已經(jīng)大大方方用了 “室溫超導(dǎo)” 字樣。

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)果有悖基本物理”(圖7)

圖7 2020年發(fā)表的C-S-H“室溫超導(dǎo)”的Nature論文中關(guān)于零電阻和抗磁性的數(shù)據(jù)結(jié)果

3. 論文詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后遭受更大質(zhì)疑

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(yáng)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]

圖8 Dias等人公布的磁化率背景扣除方法以及Hirsch等人的分析[27,30]

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!

圖9 關(guān)于Eu高壓超導(dǎo)電性的論文被PRL撤稿[29]

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)。

圖11 Nature網(wǎng)站上關(guān)于“室溫超導(dǎo)”論文結(jié)果與作者溝通過程[21]

4. 撤稿并非結(jié)束,室溫超導(dǎo)驗(yàn)證還需時(shí)

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】。

從實(shí)驗(yàn)的角度,Eremets等人對(duì)該項(xiàng)研究也表達(dá)了謹(jǐn)慎的態(tài)度,他覺得論文結(jié)果還有對(duì)的可能性,雖然他們?cè)诎凑誅ias團(tuán)隊(duì)提供的實(shí)驗(yàn)記錄來重復(fù)結(jié)果的時(shí)候,試了6次,失敗了6次。Eremets覺得對(duì)方還是“有所保留”,比如沒有明確告知他們使用的碳單質(zhì)是哪種(碳有許許多多同素異形體)。也有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為Dias等人一開始就是在 “豪賭”,畢竟此前在H-S體系已發(fā)現(xiàn)200 K以上的超導(dǎo),那么在C-S-H體系發(fā)現(xiàn)更高溫度的超導(dǎo)可能并不奇怪,實(shí)現(xiàn)起來可能就是技術(shù)和時(shí)間問題而已。由于論文并沒有明確給出材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)式,對(duì)于三元化合物,數(shù)值計(jì)算來預(yù)測(cè)其高壓下穩(wěn)定結(jié)構(gòu)要困難得多。目前為止,科學(xué)家仍未找到從理論上可以明確預(yù)測(cè)出如此高Tc的C-S-H具體材料結(jié)構(gòu) [34]。

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(guó)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。

圖13 Dias的主頁(yè)顯示“室溫超導(dǎo)”的發(fā)現(xiàn)獲得了多項(xiàng)榮譽(yù)

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]。

圖14 高壓氫化物的超導(dǎo)探索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

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

 

參考文獻(xiàn):

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[29] M. Debessai et al., Retraction: Pressure-Induced Superconducting State of Europium Metal at Low Temperatures [Phys. Rev. Lett. 102, 197002 (2009)] Phys. Rev. Lett. 127, 269902 (2021).

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[32] J. E. Hirsch and D. van der Marel, Open data (2022), https://doi.org/10.26037/yareta:zegqbhauk5dm3mfvndtlrfmgg4.

[33] G. A. Smith et al., Carbon content drives high temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride below 100 GPa, Chem. Commun. 58, 9064 (2022).

[34] T. Wang et al., Absence of conventional room temperature superconductivity at high pressure in carbon doped H3S, Phys. Rev. B 104, 064510 (2021).

[35] M. I. Eremets et al., High-temperature superconductivity in hydrides: experimental evidence and details. arXiv:2201.05137.

 

來源:知識(shí)分子

原標(biāo)題:“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

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“室溫超導(dǎo)” 論文曾被撤稿??jī)赡昃W(wǎng)絡(luò)論戰(zhàn)與頂刊的一地雞毛

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。

圖片來源:圖蟲創(chuàng)意

來源:《知識(shí)分子》

發(fā)布時(shí)間:2022年9月28日

2020年10月14日,Nature發(fā)表的一篇首次實(shí)現(xiàn) “室溫超導(dǎo)” 的封面論文引發(fā)轟動(dòng)。2022年9月26日,在所有論文作者都不同意撤稿的情況下,Nature編輯部撤掉了這篇論文。

過去兩年,超導(dǎo)研究者、中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員羅會(huì)仟對(duì)此事件保持高度關(guān)注。論文剛發(fā)表時(shí),他曾向《知識(shí)分子》表示,此次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù) “有點(diǎn)出奇的好”,“不僅有電阻數(shù)據(jù)、磁化數(shù)據(jù)、Raman光譜數(shù)據(jù),這么高壓力下能做的測(cè)量幾乎都做了”。

2022年9月,羅會(huì)仟對(duì)這一撤稿事件做了詳細(xì)回顧,詳解論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不透明和物理學(xué)者的再分析和論戰(zhàn)如何導(dǎo)致了論文的撤稿。

下附羅會(huì)仟原文:

撰文 | 羅會(huì)仟(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)

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。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.”

鑒于此次撤稿事件對(duì)科學(xué)界的巨大影響,本文以Science的報(bào)道內(nèi)容及已發(fā)表的相關(guān)論文為依據(jù),介紹一下該事件的來龍去脈。有興趣的讀者,歡迎詳細(xì)閱讀文末的參考文獻(xiàn)。

1.  撤稿早有伏筆?

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(wàn)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(guó)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。

圖1 超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)和磁場(chǎng)下的行為(來自《超導(dǎo)“小時(shí)代”》)

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。

目前,常壓下的超導(dǎo)臨界溫度記錄,是1993年發(fā)現(xiàn)的Hg-Ba-Ca-Cu-O體系, 超導(dǎo)臨界溫度Tc為134 K,該材料在高壓下的Tc可提升到165 K(圖2)[4]。人們還嘗試把元素周期表的單質(zhì)幾乎都?jí)毫艘槐椋毡榘l(fā)現(xiàn)Tc可進(jìn)一步提升,比如單質(zhì)Ca的Tc在高壓下可以達(dá)到29K,遠(yuǎn)超常壓下的單質(zhì)Tc記錄(即Nb的Tc=9 K)[5]。因此高壓是提高超導(dǎo)溫度的重要途徑,也是探索室溫超導(dǎo)的最佳方案之一。需要特別指出的是,于物理學(xué)家而言,室溫是有明確定義的,即300K,約相當(dāng)于27℃。實(shí)際生活中比較舒適的 “室溫” 大致是15℃-25℃,也就是北方冬天供暖標(biāo)準(zhǔn),和夏天空調(diào)建議溫度。

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(guó)科學(xué)》[6])

理論上預(yù)言,金屬氫就極可能是室溫超導(dǎo)體,但是前提是要在百萬(wàn)級(jí)大氣壓(100 GPa以上)的極端高壓下合成。如此高的壓力,需要借助世界上最硬的物質(zhì)——金剛石來實(shí)現(xiàn),在一對(duì)磨平端面的金剛石形成 “對(duì)頂砧” 再使勁加壓。由于氫本身十分活潑、易燃易爆,而且在高壓下會(huì)發(fā)生 “氫脆” 現(xiàn)象——因?yàn)闅湓貪B入金剛石而導(dǎo)致硬度突然降低碎裂。

金屬氫的實(shí)驗(yàn),從一開始就是巨大的挑戰(zhàn),也譽(yù)為是高壓領(lǐng)域的 “圣杯”,歷經(jīng)80余年都未能拿下 [7]。2016年,英國(guó)愛丁堡大學(xué)E. Gregoryanz等人在325 GPa獲得了氫的一種 “新固態(tài)”,認(rèn)為可能是金屬氫,論文發(fā)表在Nature [8]。2017年,美國(guó)哈佛大學(xué)的 R. P. Dias 和 I. F. Silvera 宣布在495 GPa下實(shí)現(xiàn)了金屬氫,他們觀測(cè)氫在壓力不斷增加過程中,從透明氫分子固體,到黑色不透明的半導(dǎo)體氫,最終到具有金屬反光的金屬氫,論文發(fā)表在 Science [9]。

正當(dāng)業(yè)界一片歡呼,期待Dias和Silvera進(jìn)一步測(cè)量金屬氫是否有室溫超導(dǎo)電性時(shí),他們卻在實(shí)驗(yàn)過程不小心打碎了金剛石,后面也沒再重復(fù)實(shí)驗(yàn)。Dias不再重復(fù)實(shí)驗(yàn)的原因也很簡(jiǎn)單,當(dāng)時(shí)他博后期滿,正忙著找工作,而且論文已經(jīng)被Science接收了。隨之而來的,是一片質(zhì)疑聲,近500 GPa的高壓技術(shù)雖然很難,但國(guó)際上仍有幾個(gè)研究組是可以做到的,但他們卻沒有重復(fù)出來金屬氫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

更令人難以置信的是,這篇論文的關(guān)鍵證據(jù)之一——金剛石對(duì)頂砧里的金屬氫照片,是用iPhone攝像頭拍的(圖3),顯得極其不專業(yè)。據(jù)知情人士透露,在圈內(nèi)科學(xué)家反復(fù)追問下,Dias承認(rèn) “金屬氫” 的實(shí)驗(yàn)成功率并不高,可能也就那么一兩次獲得了“有效”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)??茖W(xué)家們有理由懷疑最終得到的 “金屬反射” 信號(hào)可能來自高壓腔體內(nèi)的金屬墊片,而不是金屬氫本身,作者后來也發(fā)文更正了光電導(dǎo)的數(shù)據(jù)(圖4)。金屬氫是否真的能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo),繼續(xù)是一個(gè)未解謎團(tuán)。

圖3 用iPhone攝像頭拍攝的“高壓下氫狀態(tài)”,495 GPa為金屬氫
圖4 “金屬氫”的Science論文更正

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。

2.  室溫超導(dǎo)發(fā)表即遭質(zhì)疑

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。

不過,新的困難也出現(xiàn)了,那就是在高溫高壓下,氫幾乎可以和絕大部分元素形成化合物,而且結(jié)構(gòu)和物性都非常復(fù)雜難以預(yù)測(cè) [10,11]。在實(shí)驗(yàn)開始之前,先要依賴于理論篩選出合適的氫化物,并大致知道需要多大的壓力才能超導(dǎo),最好能預(yù)測(cè)出該化合物的Tc,否則靠 “瞎貓碰見死耗子” 的模式去探索的話,高昂的實(shí)驗(yàn)成本、極具挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和大量的時(shí)間精力消耗都讓科學(xué)家難以承受。

幸運(yùn)的是,對(duì)于二元?dú)浠?,一些?shù)值計(jì)算軟件就能給出較為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè),進(jìn)而計(jì)算出材料的基本物性。中國(guó)的吉林大學(xué)物理學(xué)院開發(fā)的CALYPSO結(jié)構(gòu)搜索軟件就是重要代表 [12],中國(guó)科學(xué)家據(jù)此預(yù)言出一系列的金屬氫化物超導(dǎo)體,并給出可能的Tc,其中H-S化合物可能實(shí)現(xiàn)80 K甚至204 K的超導(dǎo)電性 [13,14]。

果不其然, 在2014年底德國(guó)馬普化學(xué)研究所的 A. P. Drozdov 和 M. I. Eremets 就宣布在硫氫化物中發(fā)現(xiàn)190 K 超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象,對(duì)應(yīng)壓力為150 GPa。在歷經(jīng)8個(gè)多月的不斷質(zhì)疑、調(diào)查、重復(fù)實(shí)驗(yàn)、積累數(shù)據(jù)之后,論文終于在2015年8月17日發(fā)表于Nature,此時(shí)他們已經(jīng)獲的了220 GPa下203 K的Tc歷史新紀(jì)錄,并且提供了抗磁信號(hào)的測(cè)量結(jié)果(圖5)[15]。Eremets本人也經(jīng)受住了業(yè)界的廣泛質(zhì)疑和討論,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被中國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)科學(xué)家重復(fù)驗(yàn)證,H-S化合物的組分和結(jié)構(gòu)也被確定,后續(xù)也不斷有相關(guān)的論文發(fā)表。

圖5 Drozdov和Eremets發(fā)現(xiàn)高壓下硫氫化物的超導(dǎo)電性[15]

此后,高壓氫化物的超導(dǎo)研究變的如火如荼,人們陸續(xù)在Th、Pr、Nd、Y、La、Ce、Ba、Sn、Ca等元素與氫的化合物中找到了超導(dǎo)電性,Tc從幾K到上百K都有(圖6)[16]。其中中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)CaH6在160~180 GPa下達(dá)到了Tc=210 K [17,18],美國(guó)/德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)LaH10在188 GPa下達(dá)到了Tc=260 K [19,20]。

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。

圖6 各種高壓氫化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)時(shí)間、臨界溫度和對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)[16]

2020年10月14日,Nature 發(fā)表了題為 “碳?xì)淞蚧镏惺覝爻瑢?dǎo)電性” 的論文,第一作者為 E. Snider,通訊作者為 R. P. Dias,作者里還有著名的高壓研究專家 A. Salamat [21]。是的,通訊作者就是2017年在Science發(fā)文聲稱實(shí)現(xiàn)金屬氫的Dias,此時(shí)已在美國(guó)羅切斯特大學(xué)任助理教授。論文的關(guān)鍵結(jié)果是C-S-H三元體系在267 GPa左右可以實(shí)現(xiàn)288 K左右的超導(dǎo)電性,對(duì)應(yīng)溫度為15℃。超導(dǎo)材料的Tc,被首次突破到0℃以上,盡管距離室溫300 K還有一步之遙,論文的題目已經(jīng)大大方方用了 “室溫超導(dǎo)” 字樣。

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)。

圖7 2020年發(fā)表的C-S-H“室溫超導(dǎo)”的Nature論文中關(guān)于零電阻和抗磁性的數(shù)據(jù)結(jié)果

3. 論文詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后遭受更大質(zhì)疑

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(yáng)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]。

圖8 Dias等人公布的磁化率背景扣除方法以及Hirsch等人的分析[27,30]

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!

圖9 關(guān)于Eu高壓超導(dǎo)電性的論文被PRL撤稿[29]

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)。

圖11 Nature網(wǎng)站上關(guān)于“室溫超導(dǎo)”論文結(jié)果與作者溝通過程[21]

4. 撤稿并非結(jié)束,室溫超導(dǎo)驗(yàn)證還需時(shí)

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】

從實(shí)驗(yàn)的角度,Eremets等人對(duì)該項(xiàng)研究也表達(dá)了謹(jǐn)慎的態(tài)度,他覺得論文結(jié)果還有對(duì)的可能性,雖然他們?cè)诎凑誅ias團(tuán)隊(duì)提供的實(shí)驗(yàn)記錄來重復(fù)結(jié)果的時(shí)候,試了6次,失敗了6次。Eremets覺得對(duì)方還是“有所保留”,比如沒有明確告知他們使用的碳單質(zhì)是哪種(碳有許許多多同素異形體)。也有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為Dias等人一開始就是在 “豪賭”,畢竟此前在H-S體系已發(fā)現(xiàn)200 K以上的超導(dǎo),那么在C-S-H體系發(fā)現(xiàn)更高溫度的超導(dǎo)可能并不奇怪,實(shí)現(xiàn)起來可能就是技術(shù)和時(shí)間問題而已。由于論文并沒有明確給出材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)式,對(duì)于三元化合物,數(shù)值計(jì)算來預(yù)測(cè)其高壓下穩(wěn)定結(jié)構(gòu)要困難得多。目前為止,科學(xué)家仍未找到從理論上可以明確預(yù)測(cè)出如此高Tc的C-S-H具體材料結(jié)構(gòu) [34]。

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(guó)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。

圖13 Dias的主頁(yè)顯示“室溫超導(dǎo)”的發(fā)現(xiàn)獲得了多項(xiàng)榮譽(yù)

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]。

圖14 高壓氫化物的超導(dǎo)探索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

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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來源:知識(shí)分子

原標(biāo)題:“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

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