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| 本文作者： 我在思考中 | 2022-01-27 16:24 |
作者 | 維克多
真·神仙打架！
近日，一篇Arxiv論文在物理圈引起了不小的轟動(dòng)。
有多轟動(dòng)呢？知乎上有人說(shuō)，老板正在開(kāi)著組會(huì)都沒(méi)心思了。
“這個(gè)文獻(xiàn)”的名字叫Comment on Nature 586,373（2020）by E. Sinder et al，名字簡(jiǎn)單粗暴。很明顯，這是對(duì)一篇2020年的Nature舊論文有“不同看法”的文章。
Nature 586,373（2020）是什么樣的一篇論文，為什么對(duì)這篇論文的質(zhì)疑會(huì)引起業(yè)內(nèi)的轟動(dòng)？
這篇論文正是被作為2020年10月15日《Nature》的封面故事推薦，推薦的標(biāo)題叫“Turning up the heat”，這是一句雙關(guān)語(yǔ)，一個(gè)意思是“調(diào)高溫度”，另一個(gè)意思是“施加壓力”。
“施加壓力”是原因，“調(diào)高溫度”是后果。加在一起就是副標(biāo)題的意思——“室溫超導(dǎo)終于實(shí)現(xiàn)了！”
美國(guó)羅切斯特大學(xué)物理系助理教授Ranga Dias的研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)造出了一種碳質(zhì)硫氫化合物固體分子，這種材料在約15攝氏度（288K）和約267Gpa的壓強(qiáng)下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。
雖然還沒(méi)有達(dá)到業(yè)內(nèi)追求的300K（27攝氏度）的室溫超導(dǎo)目標(biāo)，但15攝氏度對(duì)超導(dǎo)研究的意義在于不僅極大的提高了SOTA的門(mén)檻，還其他研究者看到了勝利的曙光。
（做個(gè)不恰當(dāng)?shù)念?lèi)比：2012年AlexNet并沒(méi)有真正超越人類(lèi)，但在將性能提升了十多個(gè)百分點(diǎn)的同時(shí)，還掀起了一波深度學(xué)習(xí)的研究浪潮。）
這還不是Ranga Dias最出名的研究。從Google Scholar看，他最出名的研究是發(fā)表于2017年的“金屬氫”（Metallic Hydrogen）。
氫，它在常溫是氣體，在低溫下變?yōu)橐后w，溫度降到零下259℃時(shí)即為固體。“金屬氫”的提法源于1925年英國(guó)物理學(xué)家John Bernal“任何元素加壓都會(huì)具有金屬導(dǎo)電特質(zhì)”的猜想，并在1935年被美國(guó)物理學(xué)家Eugene Winger（1963年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）理論證明。
多年以來(lái)科學(xué)家們一直在努力嘗試再造這種狀態(tài)的氫，但均未能成功。
直到2017年1月26日, 《科學(xué)》雜志報(bào)道哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室成功制造出金屬氫。金屬氫論文的通訊作者，正是這位Ranga Dias。
向Ranga Dias發(fā)起挑戰(zhàn)的Jorge E Hirsch也絕非泛泛之輩，他是UCSD物理系教授，被引用3萬(wàn)5千次，H-index 67的大牛。他被引用數(shù)最高的文章是2005年提出的“一種衡量個(gè)人科學(xué)研究成果的指標(biāo)”。
對(duì)了，這項(xiàng)指標(biāo)以他的名字命名——“H-Index”。
在Arxiv發(fā)表的新文章中，Hirsch質(zhì)疑Dias在Nature 雜志發(fā)表的室溫超導(dǎo)文章涉嫌數(shù)據(jù)操縱。
兩大神仙的碰撞、對(duì)轟動(dòng)業(yè)界研究成果的挑戰(zhàn)，結(jié)果究竟如何？
Ranga Dias在《Nature》論文中設(shè)計(jì)出了一種新型氫化物，這種由氫-硫-碳組成的材料，在巨大的壓力下，室溫時(shí)就能轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體。
當(dāng)時(shí)論文一經(jīng)發(fā)表，學(xué)界驚呼（主要是凝聚態(tài)物質(zhì)理論）：人類(lèi)首次真正發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)！
支撐文章觀點(diǎn)的主要論點(diǎn)是：在175萬(wàn)個(gè)大氣壓下，樣品冷卻至-93°C就會(huì)發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。如果繼續(xù)增加壓力，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的臨界溫度會(huì)不斷提高。
當(dāng)?shù)竭_(dá)到267萬(wàn)個(gè)大氣壓時(shí)，只需把樣品降低至15°C，就能看到電阻消失。
嗯，換句話說(shuō)，Dias在在常溫條件下發(fā)現(xiàn)了“零電阻和完全抗磁性”，這一超導(dǎo)現(xiàn)象的特征。
相對(duì)于原文的“長(zhǎng)篇大幅”，Hirsch的質(zhì)疑文章只有兩頁(yè)，主要攻擊室溫超導(dǎo)文章中磁化率數(shù)據(jù)的問(wèn)題。
Ranga Dias的《Nature》論文說(shuō)，在T=170K左右，磁化率發(fā)生突變，隨著溫度上升而陡然升高，這顯然是超導(dǎo)相變。
Hirsch看到論文中某些區(qū)域的數(shù)據(jù)非常不連續(xù)，而且曲線斜率和變化方向相反。實(shí)驗(yàn)有誤差很正常，但有規(guī)律的誤差就不正常了。
于是， Hirsch把數(shù)據(jù)進(jìn)行了差分，相當(dāng)于去除了數(shù)據(jù)“雜質(zhì)”，然后得到了一條平滑、可導(dǎo)的曲線。
結(jié)果顯示：T=170K處的數(shù)據(jù)并沒(méi)有發(fā)生劇變，并不存在超導(dǎo)特征。
此外，論文中有些數(shù)據(jù)看起來(lái)和2009年發(fā)表在《Physical Review Letters 》工作中使用的數(shù)據(jù)極其“相似”。而當(dāng)年那些數(shù)據(jù)作者已經(jīng)承認(rèn)已經(jīng)有問(wèn)題。
因此，Hirsch得出結(jié)論：How these data have come about is unknown to us。言外之意：你操縱數(shù)據(jù)了。
目前，網(wǎng)友對(duì)于此問(wèn)題分為三個(gè)陣營(yíng)，其一認(rèn)為“可以理解”：有時(shí)候有實(shí)驗(yàn)誤差的數(shù)據(jù)確實(shí)和被操縱了一樣。
其二認(rèn)為Hirsch實(shí)錘：原文章并沒(méi)有如實(shí)處理原始數(shù)據(jù)，而是做了一些不可思議的變換。
其三認(rèn)為Hirsch的錘是錘了，但只錘了一點(diǎn)點(diǎn)：原數(shù)據(jù)可能是信號(hào)變太快了沒(méi)鎖住導(dǎo)致的。
無(wú)論哪方陣營(yíng)，都需要 Dias出來(lái)正面回應(yīng)，不過(guò)目前看來(lái)辯方選手有點(diǎn)落了下風(fēng)。
能夠在接近室溫的條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性，這無(wú)疑是一項(xiàng)振奮人心的突破性發(fā)現(xiàn)。
但據(jù)《Science》的報(bào)道，但當(dāng)其他科學(xué)家試圖復(fù)制這一發(fā)現(xiàn)，或者試圖在其基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展研究時(shí)，他們都失敗了。
之前，Hirsch提出查看基本數(shù)據(jù)的要求也被一直拒絕。
有意思的是，論文的原始數(shù)據(jù)表格，居然是PDF里的一個(gè)截圖......
知乎也有答主指出，Dias對(duì)數(shù)據(jù)遮遮掩掩的做法在生化環(huán)材領(lǐng)域很正常，“基操勿6”。
這也為Hirsch的“打假”制造了障礙。
但Dias回應(yīng)Hirsch的指控表達(dá)頗有意味：Hirsch不是高壓物理學(xué)家，他的指控帶有偏見(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 (determinant quantum Monte Carlo, DQMC) 算法。且這幾年一直不屑于凝聚態(tài)物理學(xué)當(dāng)下那些一地雞毛般的雜碎問(wèn)題，一直在攻擊攻擊各種高壓超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和BCS理論。
例如這篇標(biāo)題為“皇帝的新衣”Arixiv文章，直指BCS 超導(dǎo)理論中有“漏洞”，大量學(xué)者在該領(lǐng)域灌水，拿基金。
對(duì)于Hirsch質(zhì)疑這篇《Nature》論文拋出的觀點(diǎn)，《Nature》說(shuō)：“編輯已收到與本文背后數(shù)據(jù)相關(guān)的未聲明訪問(wèn)限制的警告。我們正在與作者合作更正數(shù)據(jù)可用性聲明 ”
聲明發(fā)表于2021年8月份，目前尚無(wú)更新。而Hirsch這篇Arxiv論文提交于2022年的1月19日。
舊事重提，想必是催促多方盡快給出答復(fù)吧：該公布數(shù)據(jù)的公布數(shù)據(jù)，該撤稿的撤稿。
值得一提的是，Dias確實(shí)有點(diǎn)前科。2017 年，Dias在哈佛當(dāng)博士后時(shí)參與了導(dǎo)師 Isaac Silvera 的金屬氫實(shí)驗(yàn)，發(fā)布了震驚世界的首塊金屬氫。
當(dāng)年多方要求想看看金屬氫長(zhǎng)什么樣子的時(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)卻說(shuō)，由于操作失誤，金屬氫樣本“消失”了。
時(shí)隔多年，至今無(wú)法見(jiàn)到金屬氫的樣貌。
不過(guò)，一碼歸一碼，事情還沒(méi)到最后一步，室溫超導(dǎo)究竟啥樣，還是讓子彈飛一會(huì)兒。
超導(dǎo)材料具有零電阻和完全抗磁性,在傳統(tǒng)電磁學(xué)領(lǐng)域和現(xiàn)代量子器件方面都有巨大的應(yīng)用價(jià)值。
自1911年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)超導(dǎo)體以來(lái), 人們探索超導(dǎo)材料的腳步就從未停止過(guò)。
諸如金屬合金、輕元素化合物、重費(fèi)米子、有機(jī)化合物、銅氧化物、鐵砷化物、鐵硒化物等各類(lèi)超 導(dǎo)體系不斷被發(fā)現(xiàn), 超導(dǎo)臨界溫度的記錄也一再被刷新。
如何獲得更高臨界溫度的超導(dǎo)體？學(xué)界常用方法是使用“高壓”，即加大壓力。
高壓下, 原材料之間互相接觸緊密, 化學(xué)反應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常壓情況, 能提高材料合成效率, 有希望制備常壓下不穩(wěn)定的新材料。
室溫超導(dǎo)之路可以追溯到20 世紀(jì)60 年代的一個(gè)預(yù)言，即氫原子團(tuán)如果被充分壓縮，可能會(huì)轉(zhuǎn)變成一種在高溫下超導(dǎo)的金屬。
圖注：各種超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)的年代和臨界溫度記錄, 插圖為典型的超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，圖片來(lái)自《中國(guó)科學(xué)》
2004年，物理學(xué)家 Ashcroft進(jìn)一步指出富氫的材料體系可能在較低的外加壓力下實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)。
2014年，吉林大學(xué)的馬琰銘和崔田兩個(gè)團(tuán)隊(duì)基于對(duì)ＢＳＣ理論的計(jì)算，也論證了富氫的材料體系實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的可能性。
2015年，德國(guó)馬普化學(xué)研究所的Eremets研究組，首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高壓條件下，硫化氫材料T=203Ｋ發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。
2019年美國(guó)華盛頓大學(xué)Hemley研究組也有相關(guān)論文產(chǎn)出。
而Dias小組的工作就是在Eremets硫化氫材料基礎(chǔ)上額外添加了碳元素實(shí)現(xiàn)的。
但正如中科院謝心澄和北大王楠林兩位教授在《中國(guó)科學(xué)基金》上點(diǎn)評(píng)的那樣：目前所形成的室溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)尚不清楚，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也還需要其他研究組的重復(fù)和驗(yàn)證。
換句話說(shuō)，將Dias室溫超導(dǎo)的工作提升至“人類(lèi)首次”還為時(shí)尚早。畢竟在高溫超導(dǎo)35 年的發(fā)展歷程中只誕生了一個(gè)。
如果提及原始創(chuàng)新，把范圍擴(kuò)展到整個(gè)超導(dǎo)領(lǐng)域110 年的歷史，也只有1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)、1957年提出BCS理論、1962年發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)、1986 年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)等寥寥數(shù)次。
2022-01-19
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