走进科学
尽管存在争议，超导研究仍在稳步推进
概要：
最近，罗彻斯特大学物理学家Dias的超导研究爆出数据造假和抄袭丑闻，导致两篇相关论文被退稿。尽管此事将高压物理推到舆论聚光灯下，但研究者表示超导领域整体科研仍然可信、进展稳定。多个团队已重复验证关键研究结果，理论计算也符合实验数据。当前研究正在探索新的超导材料，例如三元氢化物和非氢化物，部分预测的超导体也得到实验实现。同时，研究者正在讨论加强声称新超导的证据标准，提高数据共享度。这有助减少类似争议发生。虽然个案令人担忧，但研究者认为超导领域整体保持科学可信度，通过渐进研究最终找到实用超导材料的希望不减。超导研究将在坚持科学诚信原则下继续稳步推进。
物理学家使用金刚石砧(如图所示)在高压下粉碎材料，希望能制造出新的超导体。
罗彻斯特大学物理学家Ranga Dias提出了颠覆性的室温超导体声明，将高压物理领域推向了聚光灯下。
现在，在两篇论文被撤稿和抄袭指控之后，Dias笼罩在可疑的迷雾中，一些物理学家担心外界可能会认为整个领域一团糟。“最大的风险是......整件事会对该领域产生负面影响。” 意大利罗马萨皮恩扎大学理论物理学家Lilia Boeri说。
但其他许多研究人员表示，高温超导体的其他研究很可靠。多个小组已经复制了关键结果，理论计算与实际实验也一致。物理学家正在调查新类超导体，并证实理论预测。希望这种渐进的进步最终能引领科学家找到更实用的超导体。
“遗憾的是，该领域正在进行大量不错的工作，但争议占用了太多关注。” Boeri说。
为了进一步巩固他们声明的科学合法性，科学家现在正在开发识别超导的新方法，就在宣称达到超导性之前应达到的标准进行辩论，并讨论关于共享数据的新规范。
科学家表示，这些工作可以帮助研究人员抵御物理学中并不罕见的任何未来可疑的超导性声明。“我们所有人都认识到，由于所有这些错误的阳性结果，我们的领域有被更广泛的科学界否定的危险。” 佛罗里达大学盖恩斯维尔分校理论物理学家Peter Hirschfeld说。
围绕Dias的超导性声明的争议继续升级
超导体可以无阻力地导电，如果它们能在日常使用的温度和压力下工作，就可以改变现代技术——这个诱人的可能性推动了物理研究这个通常深奥领域少有的热炒。
Dias团队的第一个令人瞠目结舌的超导声明出现在2020年。尽管大多数超导体必须冷却到非常低的温度才能工作，但他和同事在《自然》杂志报道，一种碳、硫和氢的材料在高达15摄氏度(59华氏度)时仍保持超导(SN: 10/14/20)。
该材料与许多最高温超导体一样，必须受到高压挤压才能工作，这意味着它在实际使用中不可行。尽管如此，它声称是首次证明了长期寻求的室温超导体。
但是在其他科学家对数据和方法提出质疑后，《自然》杂志在Dias和其他作者的抗议下撤稿(SN:10/3/22)。
今年3月，Dias的团队提出了一个更大的声明(SN:3/7/23)。他们在《自然》杂志报道，一种由镥、氮和氢组成的材料在接近大气压力的压强下实现了室温超导。
据物理学家Ranga Dias及其同事称，一种由钌、氮和氢组成的材料(显微镜合成图中的样品)据称是一种室温超导体。
与此同时，怀疑论者深入调查了Dias的历史，据《科学》杂志的一篇新闻文章报道，声称在他的博士论文中存在广泛的剽窃。调查还针对Dias合著的一篇2021年发表在《物理评论快报》的无关论文。《物理评论快报》的调查发现数据造假的证据，《自然》杂志7月报道。在所有作者中只有Dias反对的情况下，《物理评论快报》在8月15日撤稿。
在被问及撤稿一事时，Dias在电子邮件中声称“我们的工作没有数据伪造、数据操纵或任何其他科学不端行为。”
罗彻斯特大学的一位发言人说，Dias目前正受到该校的调查。
德国美因茨马普化学研究所的物理学家Mikhail Eremets说，在所有这些争议中，外行人可能会认为整个领域都很可疑。“但事实上，完全不是这样，因为其他人正在做真正好的、伟大的、经过非常充分证实的工作。”
高温超导体的可重复性至关重要
高压物理学非常专业化，一个实验室成功的实验在其他地方复制可能具有挑战性。但是渐渐就几个刷新纪录的超导体形成了共识。
研究集中在所谓的氢气化物上。这一选择受到这样一个预测的启发:当受到极端压力时，纯氢会成为一个超导金属(SN:8/10/16)。由于达到这种压力很困难，科学家在氢中添加其他元素，希望能降低所需的压力。
第一个重大成功是硫化氢，它打破了当时最高温超导体的纪录(SN:12/15/15)。Eremets和同事2015年在《自然》杂志报道，它的超导温度可达203开尔文(-70°C)。然后，在2018年，科学家加冕目前的纪录保持者(不包括Dias的工作)，一种镧氢化合物，超导温度可达约-20°C(SN:9/10/18)。
在这两种情况下，多个小组都证实了结果。而且理论计算表明，这些材料在如此高温下确实超导。即便如此，这两种超导体都需要比地球大气压力高百万倍的压强，这限制了它们的实用性。其他高温超导体，如钇氢化物，也被多个小组重复。
相比之下，物理学家一直难以确凿地复制Dias小组的镥超导体，也无法提出一个令人信服的理论解释。再结合之前的撤稿，这使得许多研究人员表示怀疑。中国北京高压科学与技术研究院的物理学家Dmitrii Semenok说:“我绝对不相信这个小组的任何结果。”
Dias在电子邮件中不予理会这些担忧，写道:“如果别人正在努力重复我的工作却无法成功，这并不奇怪——并不是所有人都能在几年内完成我所做的事。”
新超导材料首次亮相
鉴于撤稿和重复失败，许多物理学家认为领域中的其他发展更值得他们关注。
一个热门话题是三元氢化物，将氢与两种额外元素而不是一种元素组合起来的材料。通过探索周期表中许多可能的元素组合，物理学家希望找到比迄今研究的氢化物工作在更低压力和更高温度的新超导体(SN：3/19/21)。
6月，科学家报告了第一例具有全新原子结构的三元氢化物，这种结构以前从未在之前的二元氢化物中见过。该材料由镧、铍和氢组成，研究人员在《物理评论快报》发表的论文中报道，它在约100开尔文(约-173°C)时超导。这距离纪录还很遥远。但是吉林大学的物理学家阎明说，与一些其他氢化物相比，该材料所需的压强更低。“我们有第一个例子。然后以后，也许别人可以在我们的工作基础上进行。”
在另一个最近的进展中，物理学家填补了10年前遗留的空白。一个在2012年被预测的超导体，钙氢化物，终于被制备出来，两个独立团队分别在2022年的《物理评论快报》和《自然通讯》上报道。这是第一个被预测具有笼状结构的氢化物超导体，其中氢原子围绕另一种类型的原子形成笼子。
这种笼状结构后来在其他高温超导体中也被发现，包括公认的记录保持者镧氢化物。纽约州立大学布法罗分校的理论物理学家Eva Zurek说，发现钙氢化物“是一个非常好的成功”。“这样的例子反驳了......整个领域在做劣质工作的说法。”
科学家们发现的大多数富氢超导体都是在氢的基础上添加另一种元素制成的，即所谓的二元氢化物。现在，研究人员正在制造第一批三元氢化物，其中除了氢之外还含有两种元素。在这里，镧原子(蓝色)和铍原子(红色)被氢原子笼(浅蓝色)包围。
到目前为止，氢化物仍需要巨大的压强才能超导。吉林大学的理论物理学家刘涵誉说：“非常难降低这些......氢化物到大气压力条件。”
一些物理学家正超越氢。Timothy Strobel正在用其他轻元素取代氢。他正在研究不是用氢而是用硼和碳制成的笼状物——周期表中的第5和第6个元素。
Strobel说，在这样的材料中，“我们预期会有中等高的超导温度，但不如氢那样高。”他在华盛顿哥伦比亚特区的卡内基科学研究所工作。
但这种权衡可能是值得的。凭借这种材料，科学家希望找到足够坚固的结构，可以在大气压力下稳定存在。这类似于碳最惹人注目的形式钻石，它是在压力下形成的，但压力释放后仍能保持完整。Zurek、Strobel和同事在今年1月发表在《美国化学学会志》的论文中预测，这些材料的某些类型在大气压力下可以作为超导体工作，温度可达88开尔文(约-185°C)。
与需要高压的氢化物相比，这温度看似很低。但是高于77开尔文(约-196°C)的温度在实际使用中更易实现，因为不需要昂贵的液氦冷却剂。相比之下，目前高压在实用目的上是禁忌。Strobel辩称，达到大气压比室温更重要。
物理学家希望提高声称超导的标准
在探究新超导体的同时，高压物理学家也在讨论如何避免领域未来的争议。
一些人呼吁更多地共享原始数据，目的是使声明更易于检查，实验更易于重复。例如，Semenok对他的大多数论文公开发布原始数据。该领域的其他物理学家也觉得这个想法吸引人。 Eremets说：“这对重要期刊来说真的应该是标准。”“在我们这个时代，为何不呢?”
虽然Dias的团队在《自然》杂志的镥超导体论文中提供了相关数据，但这并没有让其他科学家满意。佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的物理学家James Hamlin说：“在我看来，他们上传的基本没有任何数据是原始数据。”“原始数据是测量当天由测量软件创建且之后不再修改的一个数据文件。”Dias团队的数据不符合这一标准，Hamlin说。
物理学家也在努力加强对材料超导性的证据。并不仅仅是电阻率的急剧下降。超导体展现其他标志。一个明显的迹象是迈斯纳效应，材料排斥磁场。这和其他效应可以帮助确认超导性是真实的。
但是高压实验只涉及两颗钻石之间微小的材料样品。在这种条件下，清晰地测量迈斯纳效应和其他超导标志很困难。
因此，科学家想出了额外的方法来确认超导性。例如，当某些类型的超导体暴露在磁场中然后关闭磁场时，残留磁场会被困在超导体内。在6月的《自然物理学》论文中，Eremets和同事报告了在硫化氢和镧氢化合物中测量到困留磁场，进一步巩固了它们的超导性。
为了在高压下制造新的超导体，研究人员将材料挤压在金刚石砧单元内，如图所示，物理学家米哈伊尔-埃雷米茨及其同事就使用了这种单元。需要特殊的技术才能在这种单元内所含的微量材料中显示出确凿的超导迹象。
一些物理学家还呼吁制定一套标准，要求科学家在声称找到新超导体之前需要满足的标准。Boeri说：“应该有一些通用的标准来证明超导性。”
除了测量电阻率大幅下降，Hirschfeld建议需要超导的其他标志，如展示磁场如何降低材料变成超导体的温度。要使科学界接受该结果，需要几项额外测量，并由独立小组确认。
尽管做出努力以加强超导体研究，但虚假的室温超导声明很可能仍然难以完全消除。Semenok说：“这并不罕见，时不时就会发生。” 室温超导体的诱人前景无法掩盖。
7月，一种名为LK-99的自称室温大气压超导体在arXiv.org网站发布预印本前就在社交媒体上病毒式传播。进一步的科学调查很快基本否定了这一说法。
至于Dias，他的镥基超导体仍留在科学记录中，至少目前是这样。在研究人员提出关切后，《自然》开始调查该论文。《自然》的一位发言人说：“我们正在评估向我们提出的关切，但在这种出版后评估进行时，我们不能讨论与任何特定论文相关的具体关切。”
总之，尽管存在争议，高温超导研究还在稳步推进，多个团队实现了关键结果的重复，理论计算也符合实验数据。研究人员正在探索新的超导材料，如三元氢化物和其他非氢化物，并实现了对一些超导体的预测，如钙氢化物。同时，物理学家正在讨论加强声称超导的证据标准，提高原始数据的共享，这有助于避免类似争议。虽然像Dias这样的个案让人担忧，但研究人员认为领域整体依然保持科学可信度，通过渐进的研究最终找到更实用的超导材料的希望仍在。
本文译自 sciencenews，由 BALI 编辑发布。