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研究背景

近年來，氫化物超導(dǎo)性在高壓條件下成為超導(dǎo)研究領(lǐng)域的熱門話題。特別是2015年，美因茨的馬克斯·普朗克研究所團(tuán)隊(duì)首次觀察到H?S在極高壓下表現(xiàn)出的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，這一突破性發(fā)現(xiàn)迅速引發(fā)了廣泛關(guān)注。然而，伴隨而來的是一些負(fù)面聲音，部分研究被質(zhì)疑存在科學(xué)欺詐，且不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異也引發(fā)了持續(xù)的爭議。盡管如此，氫化物超導(dǎo)性是否為真實(shí)現(xiàn)象仍然是科學(xué)界關(guān)注的核心問題。

為了對此問題作出明確回答，佛羅里達(dá)州立大學(xué)的Gregory S. Boebinger教授與卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Joerg Schmalian教授聯(lián)合在Nature Reviews Physics期刊上發(fā)表了題為“Hydride superconductivity is here to stay”的最新評論文章。評估了近年來關(guān)于氫化物超導(dǎo)性的重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并總結(jié)出該現(xiàn)象的真實(shí)性極為可能。這篇文章不僅回應(yīng)了外界的質(zhì)疑，也為該領(lǐng)域的未來發(fā)展提供了理論支持和實(shí)踐方向。

回應(yīng)質(zhì)疑！Nature頂級綜述：高壓氫化物是否具有超導(dǎo)性？

圖文解讀

氫化物超導(dǎo)性的真實(shí)性探討

近年來，高壓氫化物超導(dǎo)性研究成為了超導(dǎo)領(lǐng)域中的一個重要課題。隨著氫化物材料在高壓條件下的超導(dǎo)性發(fā)現(xiàn)，科學(xué)界對于這一現(xiàn)象的興趣與關(guān)注不斷升溫。然而，隨著研究的深入，一些負(fù)面聲音和爭議隨之而來，部分研究數(shù)據(jù)遭到質(zhì)疑，甚至有些案件暴露出科學(xué)不端行為。這些爭議讓人們在關(guān)注氫化物超導(dǎo)性是否真實(shí)存在時，產(chǎn)生了較多的混淆與疑慮。因此，本文旨在重新審視氫化物在高壓環(huán)境下是否展現(xiàn)出超導(dǎo)性，評估其真實(shí)性。

在這一問題上，研究者選取了六篇具有代表性的關(guān)鍵論文，進(jìn)行了深入的分析與討論。這些論文涵蓋了不同研究團(tuán)隊(duì)的工作，涉及的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果也有所差異。作為長期從事超導(dǎo)性研究的學(xué)者，研究者在此基礎(chǔ)上得出結(jié)論，認(rèn)為氫化物的超導(dǎo)性現(xiàn)象具有較高的可信度，極有可能是真實(shí)存在的。

高壓氫化物超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)

氫化物超導(dǎo)性研究的一個重要突破出現(xiàn)在2015年，當(dāng)時美因茨馬克斯·普朗克研究所的團(tuán)隊(duì)報道了H?S在高壓條件下轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體的現(xiàn)象。該團(tuán)隊(duì)將H?S壓縮至超過一百萬倍大氣壓的極端條件，并觀察到約200K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)表明，H?S在這種壓力下可能形成了H?S這一新化合物。此項(xiàng)研究的成功為氫化物超導(dǎo)性研究鋪平了道路，引發(fā)了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。

此后，多個研究團(tuán)隊(duì)開始深入探討氫化物在不同壓力條件下的超導(dǎo)性表現(xiàn)。通過對氫氣與金屬元素的混合物進(jìn)行加壓和加熱，研究人員可以在高壓下直接合成新的氫化物化合物，并對其超導(dǎo)特性進(jìn)行測量。值得注意的是，這些高壓氫化物的樣品往往呈現(xiàn)出不同的化學(xué)不均勻性，樣品的各相結(jié)構(gòu)不易確認(rèn)，這也給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋帶來了不小的挑戰(zhàn)。

樣品制備與測量中的挑戰(zhàn)

高壓氫化物超導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)中，樣品的制備與測量一直是科研人員面臨的難題。實(shí)驗(yàn)中，樣品的化學(xué)不均勻性和高壓環(huán)境的特殊性，使得許多傳統(tǒng)的測量技術(shù)無法直接應(yīng)用。這些高壓樣品往往在物理性質(zhì)上表現(xiàn)出極大的復(fù)雜性，尤其是在電阻和磁性測量中，數(shù)據(jù)的不確定性往往使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以解讀。

許多研究小組都承認(rèn)，高壓條件下得到的氫化物樣品往往化學(xué)不均勻，且其中的相結(jié)構(gòu)難以準(zhǔn)確識別。這使得超導(dǎo)性測量面臨了巨大的挑戰(zhàn)。例如，在電阻測量中，由于樣品內(nèi)部可能存在非均勻的超導(dǎo)區(qū)域，因此電阻轉(zhuǎn)變的完全性可能無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致某些樣品的電阻沒有完全降至零。而在磁性測量中，由于高壓樣品池的質(zhì)量遠(yuǎn)大于超導(dǎo)樣品本身，因此測量中難以消除背景信號，影響了超導(dǎo)性信號的準(zhǔn)確檢測。

盡管如此，許多研究者依然努力克服這些技術(shù)障礙，盡可能在不均勻的樣品中提取出有價值的超導(dǎo)性數(shù)據(jù)。例如，電阻和磁化率是超導(dǎo)材料中兩種最典型的響應(yīng)方式，因此，許多研究選擇使用這些經(jīng)典的測量方法來評估氫化物的超導(dǎo)性。

電阻與磁化率的關(guān)鍵證據(jù)

氫化物超導(dǎo)性最有力的證據(jù)之一來自于電阻測量。通常，超導(dǎo)材料的電阻會在臨界溫度下驟降至零，這一變化是超導(dǎo)性最直接的標(biāo)志。然而，在高壓氫化物的實(shí)驗(yàn)中，由于樣品不均勻，電阻的變化往往不會達(dá)到理想的零電阻狀態(tài)。有研究指出，在一些高壓氫化物樣品中，電阻的下降可能并非由整個樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變引起，而是部分區(qū)域形成了脆弱的電流貫穿路徑，從而導(dǎo)致了電阻的降低。

盡管如此，許多研究者指出，氫化物超導(dǎo)性并不必然要求樣品在所有區(qū)域都完全均勻。例如，在某些實(shí)驗(yàn)中，盡管電阻未能完全歸零，但通過空間成像技術(shù)，可以觀測到樣品中形成了超導(dǎo)貫穿路徑，這表明部分區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入了超導(dǎo)狀態(tài)。此外，電阻轉(zhuǎn)變在外加磁場作用下的抑制也是一個重要的驗(yàn)證超導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)手段。許多研究報告顯示，在外加磁場下，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的溫度會有所降低，進(jìn)一步證明了超導(dǎo)性的存在。

圖1：不同壓力下H?S樣品的關(guān)鍵測量

圖1展示了幾項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，這些實(shí)驗(yàn)使用了不同的樣品和測量方法。圖1a展示了H?S樣品在不同壓力下的電阻與磁場依賴關(guān)系。研究表明，在155 GPa的壓力下，樣品在約200K時出現(xiàn)電阻轉(zhuǎn)變，且該轉(zhuǎn)變在外加磁場下會有所抑制，這與超導(dǎo)性特征一致。此外，圖1b和圖1c展示了兩個實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對同一H?S樣品進(jìn)行的上臨界場測量，結(jié)果表明，兩個團(tuán)隊(duì)得到的臨界場數(shù)據(jù)高度一致，進(jìn)一步支持了超導(dǎo)性存在的結(jié)論。

磁化率測量是另一項(xiàng)驗(yàn)證氫化物超導(dǎo)性的重要手段。通過超導(dǎo)體的磁化率變化，研究人員可以觀察到材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。例如，在一些實(shí)驗(yàn)中，磁化率的測量結(jié)果顯示，隨著溫度降低，樣品的磁化率逐漸變?yōu)樨?fù)值，這表明樣品具有典型的超導(dǎo)體特性。盡管磁化率測量中也面臨著樣品池質(zhì)量較大、背景信號較強(qiáng)等問題，但通過精細(xì)的數(shù)據(jù)處理，研究者們已經(jīng)能夠清楚地觀察到超導(dǎo)性信號。

多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性與可信度

要評估氫化物超導(dǎo)性現(xiàn)象是否可靠，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性至關(guān)重要。來自不同實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果如果能夠高度一致，則可以增強(qiáng)這一現(xiàn)象的可信度。例如，圖1中的數(shù)據(jù)來自不同的實(shí)驗(yàn)室，其中美因茨的團(tuán)隊(duì)、洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室和布里斯托大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用了不同的樣品制備方法和測量技術(shù)，但所得出的臨界溫度和上臨界場數(shù)據(jù)非常一致。這一結(jié)果表明，氫化物超導(dǎo)性的現(xiàn)象具有很強(qiáng)的可重復(fù)性，進(jìn)一步證明了該現(xiàn)象的真實(shí)性。

此外，一些關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)還展示了超導(dǎo)現(xiàn)象在不同測量技術(shù)下的穩(wěn)定性。例如，磁化率的SQUID測量結(jié)果在不同實(shí)驗(yàn)條件下也表現(xiàn)出相似的超導(dǎo)特征，進(jìn)一步增強(qiáng)了超導(dǎo)性存在的可信度。

研究結(jié)論

經(jīng)過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的深入分析與批判性評估，研究者認(rèn)為，氫化物在高壓環(huán)境下展現(xiàn)出超導(dǎo)性現(xiàn)象的真實(shí)性是極有可能的。盡管氫化物超導(dǎo)性研究中仍面臨著許多技術(shù)性挑戰(zhàn)，如樣品的化學(xué)不均勻性、測量背景的干擾等問題，但現(xiàn)有的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)充分證明了超導(dǎo)性現(xiàn)象的存在。這一現(xiàn)象不僅具有重要的科學(xué)意義，也為未來的超導(dǎo)研究提供了新的方向和機(jī)會。

對于氫化物超導(dǎo)性研究的未來，研究者認(rèn)為，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)和新型測量方法的提出，氫化物超導(dǎo)性的研究將會更加深入。特別是隨著高壓物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者將能夠更好地控制氫化物樣品的合成和測量環(huán)境，從而獲得更加準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)。研究者鼓勵年輕科學(xué)家加入這一研究領(lǐng)域，繼續(xù)探索氫化物超導(dǎo)性的奧秘，也希望各類研究基金能夠繼續(xù)支持這一前沿領(lǐng)域的探索與發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Boebinger, G.S., Chubukov, A.V., Fisher, I.R. et al. Hydride superconductivity is here to stay. Nat Rev Phys (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/12/30/0f79609f09/

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