【科技·科学】物理行业的变革！21℃室温超导一旦应用 拿下诺奖不是问题
更新时间：2023-03-10 10:05:52
一次物理行业的变革，21℃室温超导一旦应用，拿下诺奖不是问题。室温超导技术，刚刚迎来了里程碑式进展。美国罗切斯特大学物理学家 Ranga Dias（朗加·迪亚斯）明确表示，他的团队已经实现了一种可以在室温条件下实现超导的全新材料。
这种技术一旦应用，拿下诺奖几乎不是问题。
谁能在室温条件下实现超导，就能掀起新的一轮技术革命。比如我们熟悉的无损电力传输、悬浮高速列车和平价医疗影像设备以及可控核聚变等，都能取得历史性突破，而且技术一旦落地，我们再也不用再担心电池没电了。
就在今天，Nature还正式发表了迪亚斯团队的新论文。技术足够震撼，在拉斯维加斯举行的美国物理学会现场，这场讲座被围的水泄不通，安保人员不得不提前阻止更多人进场。
微博、知乎相关话题被送上了热搜。
而资本市场更是闻风而动。昨晚，股民开始深夜学习室温超导技术，分析师也半夜开会研究。3月9日开盘，室温超导概念股果然大涨，其中永鼎股份以及百利电气等一度涨停。
然鹅，这么一个全行业为之震动的技术，主创团队却遭遇不少质疑，此前还深陷撤稿风波。不过 Dias已经明确回应，已多次重复实验，有信心过审，应用到现实世界还需要几年。
第六次技术革命？
想要明白Ranga Dias和团队为什么可以震惊学界，我们得先简单了解几个概念，超导和超导体。
超导是导体在某一温度下，电阻为零的状态。大约一个多世纪前，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯首次在约-268°C的汞中发现了超导。
理论上来说，多数材料只要冷却到极低温度，都可以变成超导，在没有电阻的情况下传输电流。
当然一些超导也可以在温度更高的条件下工作，但需要极高的压强，而这并不现实。
超导体则是在一定条件下呈现超导电性的材料，也就是超导材料，是在某一温度下，电阻为零的导体。
除了零电阻的特性，超导体的另一个特征是完全抗磁性。因此超导体作为一种革命性的材料，目前已经在MRI核磁共振、粒子加速器等领域率先开始应用。
现阶段想要实现超导，要么是需要极低的温度环境，要么是在常温中加高压。而 Ranga Dias和团队表示他们找到了一种新材料，可以实现常温超导。
Ranga Dias在美国物理学会会议上，做了题为Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure（近环境压强下观测到的金属氢化物室温超导现象）的报告。
正是这篇报告轰动了全球。Ranga Dias和团队将氢、氮、镥三种元素混合在金刚石压砧（diamond anvil cell，产生超高压的装置）中，施加不同的压力测量电阻。
经过实验发现，基于氢、氮、镥组成的三元氢化物（N-Lu-H）材料，会在294K（室温21°C左右）的温度下，材料失去电阻，但仍需要在1GPa的压强下才能实现超导电性。
而这已经远低于在室温工作的超导，通常所需要的数百万个大气压。
因此，Ranga Dias在大会上宣称：近环境压强下可应用于实际的超导技术已经出现。
虽然这项研究引起了学界热议，但还没有得到实际证实，这项研究成果一旦得到证实，或将颠覆物理学，并广泛应用于人类科技的各个领域，比如能源运输、医疗、通信、以及交和电子设备等。
在医疗方面，常温超导技术可以用于核磁共振成像（MRI）等医疗设备中，使医学成像更加精准和高效。
在我们更为熟悉的交通运输领域，室温超导技术可以应用于磁悬浮列车，以及电动汽车，减少动能使用和成本，使得交通系统更加高效、安全和环保。
此外还可用于新材料制造，室温超导材料具有极高的电导率和电流密度，可以用于制造更高效能的电池、电动车辆等新能源设备。届时，更高效的电池，或将彻底告别电动车续航焦虑的时代。
虽然常温，但需要的压强也高
为什么能实现常温下超导？
首先与以往的做实验的超导材料不同，Dias这次采用了一种新的元素组合，由氢、氮和镥制成的材料，新引入了一种之前的超导材料中都没见过的元素—镥（LU Lutetium)，Dias表示他们使用了一种名字叫镥箔的稀有金属。
他们将其取名为三元镥氮氢体系(ternary lutetium-nitrogen hydrogen system)。
值得一提的是，Dias团队此前就一直致力于通过向硫化氢材料之中添加其他元素，以进一步提高超导临界温度，比如说钇元素，结果都无功而返，这次就瞄上了极其稀有的LU元素。
这项研究中所涉及的超导形式要求电子相互耦合，需要形成大量的库珀对，因为镥元素既富含超导性，而且作为原子序数为175的元素也应该能提供更多的电子。
再加上氢元素作为质量最轻的元素，更容易被捆绑一起，这也是为什么加入氢的原因。
这些电子可能参与形成库珀对，使超导状态更容易实现，再加入微量的氮使结构更稳定，从而有可能降低所需的压力。
接下来就是施加相应的压强，促使氢进入材料的晶体结构，形成具有非常高的临界温度的富氢超导体。
在试验过程中，Dias团队将镥箔这种金属片，挤压在两个钻石之间，然后把含有99%的氢气和1%的氮气通过气泵打入他们这个称为“金刚石压砧（diamond anvil cell）”的装置中，最后测量化合物的变化。
Dias团队分别试验了从3000 到 30000 倍的大气压，随着施加不同倍率的大气压，镥氮氢化合物也发生了一些变化。
一开始镥箔变蓝，这可能是由于氢渗入了金属。但随着压力增加到数千个大气压，混合物转变为粉红色，结果证明这些混合物已经变成了融为一体的金属。
继续将压力增加到超过30000倍大气压，变成了更深的红色，测试后发现在这个压强下它失去了金属特性。
这也意味着在3000到30000倍大气压范围内，超导性是有可能的。因此，研究人员在这个压力范围内进行反复测试，从而帮助找到支持最高临界温度的压力。
最终通过测试发现当气压峰值大约是大气压的10000倍时。此时的温度仅为294 K，大约为 21°C，和室温差不多，这种材料就失去了对电流的阻力。
这也意味着，众人期待的室温超导体已成。
可是虽然是处于室温条件下完成的此次试验，但是不要忘记促成这次试验的另一大要素—10000倍大气压强。
上海市高温超导重点实验室主任、上海大学教授蔡传兵认为，这次Dias展示出的研究成果有一定可靠性，但室温超导所需的1GPa压力仍属于高压范畴，距离实际应用仍非常遥远。
这也是众多科学家对迪亚斯“近常压常温超导”的概念提出争议的原因之一，他们认为Dias突出了“室温”的概念，而刻意忽视了10000倍大气压的条件，有些夸大的成分。
大家可能对10000倍大气压的概念有些模糊，这相当于在100km深度海底才能达到的强度，而我们人对海洋的认知只有短短的10km，相当于20000头非洲象踩在一个人身上、指甲盖大小的地方承受十几吨重量。
另外，人类在目前能达到的规模化的超高压技术只有700—800倍的大气压强而已，所以究竟是实现运行温度在零下十几度到零下一百度的低温超导容易，还是实现一万倍大气压容易，结果显而易见。
团队曾遭质疑
除了室温超导技术突破引起的热议外，此次事件还有一大争议点在于研发团队。
Ranga Dias是一位印度裔科学家，研究涉及高温超导、新型材料合成、高压NV光学磁力测量、高能量密度物理学等多领域。
2006年，他在斯里兰卡科伦坡大学获得学士学位，后前往美国继续进修，并于2013年在华盛顿州立大学获得物理学博士学位。
大佬的学术之路并没有在获得博士学位后暂停，而是前往哈佛大学物理系做博士后。就是在此期间Ranga Dias称在实验室合成了金属氢，并且发了Science杂志，但后来金属氢莫名消失了……
在获得哈佛大学物理系博士后的奖学金后，Ranga Dias加入了罗切斯特大学研究极端条件下氢气中的量子现象。
2020年10月15日，Ranga Dias和团队称，他们实现了在15℃下的碳氢硫化物超导，压强则需要267GPa（1GPa=10kbar），这是人类首次实现室温超导。
相关论文发表了在了当月的《自然》杂志上，并登上了封面，一度引起轩然大波，但实验结果备受质疑。
最终Ranga Dias和团队的论文在去年9月26日被《自然》杂志撤稿，理由是研究人员在研究关键数据处理、分析的有效性上存在违规行为。
因为有这些前科，不少网友已经把Ranga Dias当作骗子，并称他和团队是作假的惯犯，毕竟Ranga Dias两次室温超导发现的数据都太漂亮了，有网友认为数据漂亮得像编的。
也有网友好奇1GPa的压力虽然已经小了很多，但还是高压，他们怎么做的实验？是如何加压的，还是只是理论研究？
因此Ranga Dias和团队最新的研究成果会面临极为严苛的审查。
据《每日经济新闻》报道，Ranga Dias对这次室温超导新材料已做出回应，并称已经在罗彻斯特大学实验室和其他实验室重复实验多次，且有第三方观察和独立的工作验证。
他们还会重新提交2020年的论文以供再次审验，Ranga Dias和共同作者表对《自然》之前的撤稿表示强烈反对。
这两年来，Ranga Dias坚持认为原始数据能够支持论文的主要结论，并表示和团队重复了之前的实验，观察到了同样的结果。
加州大学圣地亚哥分校理论物理学家Jorge Hirsch曾表示，仅仅是撤稿还不够，他认为撤稿反而掩饰了该研究中学术不端的现象，并认为这里面有大问题。
这次Jorge Hirsch直接在会场上开麦“我对新结果比较怀疑，因为我不相信这些作者。”
值得一提的是，Jorge Hirsch 在 APS March Meeting 的报告和 Ranga Dias 被安排在同一个会场，前后脚上台，会方可谓凭空增添了对峙的气氛。
目前，Ranga Dias和团队最新的研究成果已经再度登上了《自然》杂志，不过这次《自然》杂志并没有给封面的位置。