回应质疑！Nature顶级综述：高压氢化物是否具有超导性？
学术
2024-12-30 08:18
河南
近年来，氢化物超导性在高压条件下成为超导研究领域的热门话题。特别是2015年，美因茨的马克斯·普朗克研究所团队首次观察到H₃S在极高压下表现出的超导转变，这一突破性发现迅速引发了广泛关注。然而，伴随而来的是一些负面声音，部分研究被质疑存在科学欺诈，且不同实验结果之间的差异也引发了持续的争议。尽管如此，氢化物超导性是否为真实现象仍然是科学界关注的核心问题。为了对此问题作出明确回答，佛罗里达州立大学的Gregory S. Boebinger教授与卡尔斯鲁厄理工学院的Joerg Schmalian教授联合在Nature Reviews Physics期刊上发表了题为“Hydride superconductivity is here to stay”的最新评论文章。评估了近年来关于氢化物超导性的重要实验数据，并总结出该现象的真实性极为可能。这篇文章不仅回应了外界的质疑，也为该领域的未来发展提供了理论支持和实践方向。
近年来，高压氢化物超导性研究成为了超导领域中的一个重要课题。随着氢化物材料在高压条件下的超导性发现，科学界对于这一现象的兴趣与关注不断升温。然而，随着研究的深入，一些负面声音和争议随之而来，部分研究数据遭到质疑，甚至有些案件暴露出科学不端行为。这些争议让人们在关注氢化物超导性是否真实存在时，产生了较多的混淆与疑虑。因此，本文旨在重新审视氢化物在高压环境下是否展现出超导性，评估其真实性。在这一问题上，研究者选取了六篇具有代表性的关键论文，进行了深入的分析与讨论。这些论文涵盖了不同研究团队的工作，涉及的实验方法和结果也有所差异。作为长期从事超导性研究的学者，研究者在此基础上得出结论，认为氢化物的超导性现象具有较高的可信度，极有可能是真实存在的。氢化物超导性研究的一个重要突破出现在2015年，当时美因茨马克斯·普朗克研究所的团队报道了H₂S在高压条件下转变为超导体的现象。该团队将H₂S压缩至超过一百万倍大气压的极端条件，并观察到约200K的超导转变。实验表明，H₂S在这种压力下可能形成了H₃S这一新化合物。此项研究的成功为氢化物超导性研究铺平了道路，引发了全球范围内的广泛关注。此后，多个研究团队开始深入探讨氢化物在不同压力条件下的超导性表现。通过对氢气与金属元素的混合物进行加压和加热，研究人员可以在高压下直接合成新的氢化物化合物，并对其超导特性进行测量。值得注意的是，这些高压氢化物的样品往往呈现出不同的化学不均匀性，样品的各相结构不易确认，这也给实验数据的解释带来了不小的挑战。高压氢化物超导性实验中，样品的制备与测量一直是科研人员面临的难题。实验中，样品的化学不均匀性和高压环境的特殊性，使得许多传统的测量技术无法直接应用。这些高压样品往往在物理性质上表现出极大的复杂性，尤其是在电阻和磁性测量中，数据的不确定性往往使得实验结果难以解读。许多研究小组都承认，高压条件下得到的氢化物样品往往化学不均匀，且其中的相结构难以准确识别。这使得超导性测量面临了巨大的挑战。例如，在电阻测量中，由于样品内部可能存在非均匀的超导区域，因此电阻转变的完全性可能无法实现，导致某些样品的电阻没有完全降至零。而在磁性测量中，由于高压样品池的质量远大于超导样品本身，因此测量中难以消除背景信号，影响了超导性信号的准确检测。尽管如此，许多研究者依然努力克服这些技术障碍，尽可能在不均匀的样品中提取出有价值的超导性数据。例如，电阻和磁化率是超导材料中两种最典型的响应方式，因此，许多研究选择使用这些经典的测量方法来评估氢化物的超导性。氢化物超导性最有力的证据之一来自于电阻测量。通常，超导材料的电阻会在临界温度下骤降至零，这一变化是超导性最直接的标志。然而，在高压氢化物的实验中，由于样品不均匀，电阻的变化往往不会达到理想的零电阻状态。有研究指出，在一些高压氢化物样品中，电阻的下降可能并非由整个样品的超导转变引起，而是部分区域形成了脆弱的电流贯穿路径，从而导致了电阻的降低。尽管如此，许多研究者指出，氢化物超导性并不必然要求样品在所有区域都完全均匀。例如，在某些实验中，尽管电阻未能完全归零，但通过空间成像技术，可以观测到样品中形成了超导贯穿路径，这表明部分区域已经进入了超导状态。此外，电阻转变在外加磁场作用下的抑制也是一个重要的验证超导性的实验手段。许多研究报告显示，在外加磁场下，超导转变的温度会有所降低，进一步证明了超导性的存在。图1展示了几项关键实验的数据，这些实验使用了不同的样品和测量方法。图1a展示了H₃S样品在不同压力下的电阻与磁场依赖关系。研究表明，在155 GPa的压力下，样品在约200K时出现电阻转变，且该转变在外加磁场下会有所抑制，这与超导性特征一致。此外，图1b和图1c展示了两个实验团队对同一H₃S样品进行的上临界场测量，结果表明，两个团队得到的临界场数据高度一致，进一步支持了超导性存在的结论。磁化率测量是另一项验证氢化物超导性的重要手段。通过超导体的磁化率变化，研究人员可以观察到材料的超导转变。例如，在一些实验中，磁化率的测量结果显示，随着温度降低，样品的磁化率逐渐变为负值，这表明样品具有典型的超导体特性。尽管磁化率测量中也面临着样品池质量较大、背景信号较强等问题，但通过精细的数据处理，研究者们已经能够清楚地观察到超导性信号。要评估氢化物超导性现象是否可靠，实验数据的重现性至关重要。来自不同实验室的独立实验结果如果能够高度一致，则可以增强这一现象的可信度。例如，图1中的数据来自不同的实验室，其中美因茨的团队、洛斯阿拉莫斯实验室和布里斯托大学的团队使用了不同的样品制备方法和测量技术，但所得出的临界温度和上临界场数据非常一致。这一结果表明，氢化物超导性的现象具有很强的可重复性，进一步证明了该现象的真实性。此外，一些关键实验还展示了超导现象在不同测量技术下的稳定性。例如，磁化率的SQUID测量结果在不同实验条件下也表现出相似的超导特征，进一步增强了超导性存在的可信度。
经过对现有数据的深入分析与批判性评估，研究者认为，氢化物在高压环境下展现出超导性现象的真实性是极有可能的。尽管氢化物超导性研究中仍面临着许多技术性挑战，如样品的化学不均匀性、测量背景的干扰等问题，但现有的多项实验数据已经充分证明了超导性现象的存在。这一现象不仅具有重要的科学意义，也为未来的超导研究提供了新的方向和机会。对于氢化物超导性研究的未来，研究者认为，随着实验技术的不断改进和新型测量方法的提出，氢化物超导性的研究将会更加深入。特别是随着高压物理和化学实验技术的不断发展，研究者将能够更好地控制氢化物样品的合成和测量环境，从而获得更加准确和可靠的数据。研究者鼓励年轻科学家加入这一研究领域，继续探索氢化物超导性的奥秘，也希望各类研究基金能够继续支持这一前沿领域的探索与发展。Boebinger, G.S., Chubukov, A.V., Fisher, I.R. et al. Hydride superconductivity is here to stay. Nat Rev Phys (2024). https://doi.org/10.1038/s42254-024-00794-1🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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