编者按（9/29/23）：这篇 3 月 10 日的文章报道了一项研究，该研究声称发现了发表在《自然》杂志上的室温超导材料。本周早些时候，《华尔街日报》报道称，该论文近四分之三的合著者已联系出版商，要求撤回该研究，因为该研究存在缺陷。《自然》杂志已确认正在与该小组联系，并计划采取行动。
本周，研究人员声称发现了一种超导材料，可以在接近真实世界的条件下无能量损耗地传输电力。但幕后的戏剧性和争议让许多人担心，这一突破可能无法经受住科学的严格审查。
“如果你们能找到一种室温、常压超导体，就会出现一系列全新的技术——那是我们甚至还没有开始梦想过的，” 布法罗大学的计算化学家 Eva Zurek 说，她没有参与这项新研究。“如果结果证明是正确的，这可能会是一个真正的游戏规则改变者。”
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一个多世纪以来，科学家们一直在研究超导体。通过以不以热量形式损耗能量的方式传输电力，这些材料可能使创建极其高效的电力线和永不发热的电子设备成为可能。超导体还会排斥磁场。这种特性使研究人员可以将磁铁悬浮在超导材料之上，作为一项有趣的实验——这也可能促成更高效的高速磁悬浮列车。此外，这些材料可以产生超强磁铁，用于风力涡轮机、便携式磁共振成像仪甚至核聚变发电厂。
以前发现的唯一超导材料需要极端条件才能发挥作用，这使得它们在许多实际应用中不切实际。已知的第一批超导体必须用液氦冷却到仅比绝对零度高几度的温度。在 20 世纪 80 年代，研究人员在一类称为铜酸盐的材料中发现了超导性，这些材料在更高的温度下工作，但仍然需要用液氮冷却。自 2015 年以来，科学家们在富氢材料（称为氢化物）中测量到了室温超导行为。但它们必须在一种称为金刚石压砧的精密虎钳状仪器中加压，直到达到地球中心附近发现的压力的四分之一到一半左右。
这种名为氮掺杂镥氢化物的新材料是氢、稀土金属镥和氮的混合物。虽然这种材料也依赖于金刚石压砧，但研究发现，它在约 10,000 个大气压的压力下开始表现出超导行为——大约比其他氢化物所需的压力低 100 倍。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的凝聚态物理学家 David Ceperley 说，这种新材料“比以前的材料更接近环境压力”，他没有参与这项新研究。他还指出，该材料在一种大气压的室压下储存时保持稳定。“以前的材料只在一百万个大气压下稳定，所以你真的无法将其从金刚石压砧”单元中取出，他说。“它在一个大气压下稳定的事实，也意味着它更容易制造。”
氢是新材料的超导能力以及任何氢化物超导能力的关键。在 20 世纪 60 年代，研究人员首次计算出该元素的金属形式可能是一种超导体。其想法是，当电子配对并形成一种新的物质状态时，就会发生超导性，而这可能发生在金属原子核周围的电子汤中——特别是当这些原子核属于超轻氢原子时。不幸的是，要使这些原子将其相从气体转变为金属，将需要极端的压力——大约是地球中心压力的 1.5 倍。但是，如果将氢原子与一种或两种其他元素以氢化物的形式结合起来，研究人员认为，其他原子会压缩氢，使其在较低、更容易获得的压力下达到金属状态。“我们想找到合适的稀土材料，以在尽可能低的压力下模拟这些相同的金属氢特性。这就是镥金属进入视野的原因，” 罗切斯特大学的物理学家、该研究的合著者 Ranga Dias 说。“然后，使用氮是为了稳定这些结构。”
本周发表在Nature杂志上的一篇论文中描述的这种材料，可能会提高人们对其他可以进一步降低压力要求的氢化物的希望。不幸的是，这项工作一直受到关于 Dias 和该研究的合著者、拉斯维加斯内华达大学物理学家 Ashkan Salamat 先前论文的争议的困扰。“有两种可能的方法。一种是忽略过去，只看这篇论文，看看它是什么，” 日内瓦大学的名誉教授 Dirk van der Marel 说，他没有参与这项新研究。“如果我这样做，那么这是一篇很棒的论文。” 他指出，作者使用了多项超导性测试，这提供了“极其丰富的数据”。但 van der Marel 并没有自动信任这些数据，部分原因是他在分析同一作者之前的作品时获得的经验。
2020 年，Dias、Salamat 及其同事在Nature杂志上发表了一篇论文，描述了一种不同材料（称为含碳硫氢化物）的室温超导性。加州大学圣地亚哥分校的物理学家 Jorge Hirsch 质疑了证明该材料可以被磁化的程度（称为其“磁化率”）的数据的出现，并呼吁作者发布其原始数据。这项测量非常重要，因为它表明了超导体的一个迹象：排出磁场的能力，这种现象称为迈斯纳效应。由于必须在超导氢化物位于金刚石压砧单元中时进行此测量，因此结果包含背景噪声。为了消除该噪声，研究人员对背景进行了单独测量，并将其从原始数据中减去，以得出最终的磁化率值。Dias 和 Salamat 反驳了 Hirsch 的主张，并最终发布了请求的数据。Hirsch 和 van der Marel 共同分析了这些数据，并得出结论，这些数据充其量是以非传统方式处理的，或者说，最坏的情况是被操纵了。Dias 和 Salamat 辩称，他们的处理方法被误解了。
这场争议导致Nature杂志在 2022 年撤回了 2020 年的论文，所有作者都反对这一决定。Dias 和 Salamat 表示他们坚持自己的结果，罗切斯特大学（Dias 在那里工作）的两项调查发现没有不当行为。作者还表示，他们已在美国能源部的两个不同实验室重新进行了原始实验，并有外部观察员在场，这项工作证实了原始结果。“时间是一个很好的同行评审过程，” Salamat 说。Dias 说，研究人员已将其原始论文作为预印本进行了更新，并重新提交给Nature杂志。然而，其他实验室尚未能够独立复制原始结果。但是，实验室可能需要很长时间才能复制然后测试特定材料。这场旷日持久的冲突涉及发布多份预印本，双方都不接受对方的论点。最终，冲突变得如此激烈，以至于预印本服务器 arXiv.org 的管理员删除了双方的论文，并对 Hirsch 实施了临时出版禁令，Hirsch 对此表示反对。“我的论文分析了数据，并指出了不一致之处，” 他说。
Hirsch 此前因直言不讳地批评超导性研究而闻名，但他和 van der Marel 并不是唯一调查这些作者的研究人员。除了研究磁化率外，佛罗里达大学的物理学家 James Hamlin 还检查了 2020 年Nature杂志论文中的电阻数据。当材料达到超导状态时，其电阻降至零。这种现象的测量不需要任何处理来消除背景噪声，就像磁化率数据那样。然而，Hamlin 指出，即使是电阻数据似乎也经过了这种处理，而这在论文中并未公开。他认为 Dias 和 Salamat 对这些差异的回应不足以解释这些差异。“他们发表了这些看起来像是科学论证的东西，有点混淆了视听，” Hamlin 说。“但如果你真的检查他们的回应……，它根本站不住脚。并且没有解决” 其他研究人员提出的担忧。
Hamlin 继续分析了 Dias 和 Salamat 于 2021 年在Physical Review Letters (PRL) 上发表的一篇论文，他们在论文中与同事一起测量了另一种名为硫化锰的氢化物。Hamlin 指出，2021 年论文中的电阻数据与 Dias 2013 年博士论文中的数据之间存在相似之处，后者涉及一种完全不同的超导材料。他与该期刊和该论文的作者分享了这些担忧。Salamat 此后做出了回应，暗示即使这两个数据集可能看起来相似，但这种相似性并不能表明数据被复制了。“我们已经表明，如果你只是定性地叠加其他人的数据，很多东西看起来都一样，” 他说。“这是一种非常不公平的方法。”
这并没有让 Salamat 在 PRL 论文上的至少一位合著者满意：前研究员 Simon A. J. Kimber 对听到有关数据潜在问题感到不安，并同意 Hamlin 的结论。“我已经在这个领域工作了很长时间，我想不出任何合理的解释来解释为什么这些数据集会像这样重叠，” 他说。“我回复了所有人，包括 PRL 的编辑，并说，‘我认为这应该撤回。我想不出任何合乎逻辑的理由来解释为什么会这样——撤回，撤回，撤回。’” 据该期刊出版商美国物理学会的执行编辑 Jessica Thomas 称，编辑目前正在调查这些说法。“我们非常重视数据伪造的指控，” 她说。“与此同时，专业声誉岌岌可危，我们必须认真、准确地收集信息。我们还努力确保交流保持专业和尊重。”
鉴于过去的争议，Dias 和 Salamat 为他们的新论文费尽心思地彻底测试了新材料，进行了三类不同的实验，表明发生了超导性。“为了证明超导性，您想要提供的关键领域是电阻降至零、磁化率——这证明了这种排出磁场——以及热容测量。这是三个不同的方向，” Dias 说。“在这篇论文中，我们小组完成了所有三项测量，包括子测量，” 例如对连续场和波动场进行的两项不同的磁化率测量。
这篇新论文还为想要合成新氢化物并自行测试的其他研究人员提供了“配方”，但作者尚未分享该材料的现有样品。他们正在共同创立一家名为 Unearthly Materials 的初创公司，以将室温超导体商业化，并表示他们不希望透露其知识产权。“我们有非常清晰、详细的关于如何制造这些材料的说明，就像我们所有的研究一样。我们只是要求那些否认的小组……自己完成这些协议，” Salamat 说。“我们很高兴看到其他小组复制并推进高温超导领域。” 一些研究人员（例如 Kimber）表示，他们不会投入时间和资源来复制结果，因为他们不信任这篇新论文。但其他超导实验室可能会尝试。
如果他们确实成功复制了这些结果，他们可能会开辟令人着迷的新研究方向。例如，新材料的确切结构尚未完全了解。Salamat 使用了成像方法，揭示了化合物中重镥原子的位置，但该团队尚不确定较轻的氢原子和氮原子的构型。该材料还含有相对较少的氢，尽管氢是理论上赋予氢化物超导能力的物质。包括 Zurek 和 Ceperley 在内的多位研究人员对这种矛盾感到好奇。这可能指向关于氢化物材料中如何产生超导性的替代理论。
伊利诺伊州阿贡国家实验室凝聚态理论小组组长 Michael Norman 说，这篇论文中提出的重大主张以及过去的争议都提高了证明的标准，他没有参与这项新研究。但是，在结果被复制之前不愿意相信结果在超导领域中并不少见。他指出，1986 年发现了铜酸盐，铜酸盐被发现在比以前的材料更高的温度下具有超导性。发表后，“在最初的六个月里，人们几乎没有关注这篇论文。但后来，当一个日本小组复制了结果时，那时每个人都涌入了该领域，” Norman 说。至于这项新研究，“我很确定，在看到另一个小组复制它之前，人们会保持谨慎的乐观态度。”