先從最新的這個我國科學家做出Lu-H化物超導談起。
【1】前面幾位朋友的分析很靠譜,Lu-H沒有N,想必Dias應該也做過,能在71K,218GPa條件下實現超導轉變,是重復Dias工作的好的起點,下面關注的重點,自然是要把N摻進去,然后再看。麻煩的是Dias并未透露摻N的含量,Dias自然文章中,對結構的討論還是很tricky的,XRD判定Lu的位置比較容易,判定輕元素N或H就差點意思了,當然可以做中子衍射。我估計Dias自己對這個結構也不是100%清楚,另外主觀上他也對Lu-N-H的具體組分語焉不詳,或者是他也不知道,或者是他不想說,故弄玄虛。
Anyway,我朋友圈里的大佬們,對未來較短時間內重復Dias的工作還是很樂觀的,畢竟實驗條件沒以前苛刻了(1GPa,和200GPa在高壓實驗里是天地之別)。我們有望在幾個月甚至一個月左右時間看到這場戲的落幕。至于是正劇還是鬧劇就不知道了。當然每個人的傾向不同,我希望是被證實,這樣后面大家就有很多后續工作可以做了,圍觀群眾則可以吃瓜第二季。
有意思的是,我國物理學家文章中并未發現壓強降低,Tc升高的“反常”現象,對Lu-H來說,他們看到的還是容易理解的,Tc隨著壓強的升高而升高這種現象。這應與超導機制有關,實際上物理學家都知道,室溫超導其實離實際應用還早的很,PPT頭幾頁可以吹吹磁懸浮、核聚變。心里明白的很,在BCS機制下,Tc由“電-聲子”相互作用的強度決定,晶格越“硬”,聲子振蕩頻率越大,相應地Tc才越高,而材料越硬其實是限制了它的應用,比如說這么硬的材料怎么繞超導線圈啊?
其實他們心里最關心的還是物理機制問題,我其實也是,我最關心的就是Lu-N-H如果超導的話,那它還可以被常規的BCS理論所解釋嗎?這表面上和壓強越低,Tc反而越高是矛盾的。我國物理學家做出來的Lu-H超導就很正常,它更像是一個常規的BCS超導體。表面看,這不利于Dias的主張。
【2】
卡爾·薩根說:非凡的主張需要非凡的證據。
現在讓我們來看看Dias的主張。
Dias的高壓物理這個行當的大牛,業內非常有影響力,當然高壓物理是蠻難做的,極端條件下,搞出點烏龍來也是可以理解的。
雖然說,目前室溫超導屬于即便實現了,距離改變你-我的生活還有十萬八千里。但Dias一直在試著制備出金屬氫,制備出室溫超導體,甚至近常壓的室溫超導體。
在BCS框架下,超導是由“電-聲子”相互作用導致的,自然,超導轉變溫度Tc會和振蕩著的原子的質量M有關,在最粗陋的意義下,我們有:
H是大自然中最輕的元素,根據這個關系,我們(其實是固體物理大神Ashcroft,固體物理磚頭書的作者之一)推測如果我們能把H壓成金屬,那么它將具有最高的Tc,這完全是基于BCS(電-聲子相互作用機制)理論講的故事。但,H和H最容易形成的還是H2分子,總之挺難壓成金屬的。劇說需要500GPa才可以,Dias早年也干過這事,也很有爭議。
顯然金屬氫太難了,退而求其次就是試著把二元氫化物壓成固體,看是否超導。早年大家熱衷去試CH4,SiH4這些東西。然后,就開始雜七雜八亂試,此時我們多希望能有人給指個方向啊。
據說有個梗,是諷刺理論物理學家的,意思是實驗物理學家如果要找超導材料的話,千萬別信理論物理學家的胡說八道(主張)。你看,Ashcroft給出了一個非凡的斷言,你把H2用500GPa的壓強壓一下,保出現最高的Tc,這你敢信嗎?Dias估計還是信的,所以他一直在試。Ashcroft也一直相信自己的斷言,一口咬定,萬一實現了,這就是傳奇。
此時,隨著計算科學和算法的進步,理論物理學家這個角色逐漸被計算物理學家(搞計算的)取代,DFT(密度泛函理論)的興起及普及(其實就是軟件的普及)使得計算成為預言新材料Tc的工具。對于搞計算的算出來的這個Tc,你信不信呢?要不要試一試呢?
此時,我國物理學家又登場了,大約十年前(具體時間)吉林大學的物理學家馬琰銘算出來對H2S(硫化氫,俗稱臭雞蛋)而言,在160GPa下的Tc為80K。這看起來不高,但在當時已經是Tc最高的BCS型超導體(MgB2)Tc的兩倍了。毫無疑問這也是一項非凡的主張。
很快,實驗物理學家就證實了這個非凡的主張,硫的氫化物確實超導,而且也確實是BCS超導體。在金剛石對頂砧下,臭雞蛋被高壓壓成了固體,Tc為50-60K,與馬的預言頗為符合。在高壓下,容易獲得硫化氫的另外一個相H3S,實驗發現對H3S,Tc甚至更高。155GPa下,達到了不可思議的203K。物理學家們還測試了超導能隙的寬度,同位素效應等,確實H3S是BCS超導體。
二元氫化物,Tc最高的應該是LaH10(190GPa,260K),這個工作已被很多組證明,基本上沒啥爭議。
【3】Dias被撤稿的2020論文,是關于三元氫化物C-S-H的,Dias的主張是再摻一個元素會使得氫化物更穩定,進而得到更高的Tc,他的主張受到了著名超導物理學家J E Hirsch的強烈反對。Hirsch最為認知的工作是提出了度量科學工作重要性的H-因子,但他本人在超導機制這塊做了不少工作,高溫超導出來后,Hirsch是最早耕耘超導磁機制的大佬之一,但隨著時間的流逝,Hirsch開始“瘋狂”之一主流超導理論,他不相信非常規超導的磁機制,也不相信傳統的“電-聲子”機制,他曾把提出超導磁機制的Anderson,和提出金屬氫超導的Ashcroft并列,來了個超導“五大惡人”。為首的自然是寫出“電-聲子”相互作用哈密頓量的Fr?hlich。
現在,我們不難理解作為BCS機制的挑戰者的Hirsch會盯上Dias的工作了。Hirsch平生最恨灌水王,對Dias這種高級水王的工作自然會仔細推敲。
Hirsch對Dias2020論文最嚴厲的指責來自于其磁化率測量,經他考古,Dias2020關于C-S-H近室溫超導論文的磁化率測量是Dias親自操刀和Mathew Debessai做的。Mathew Debessai是Dias在華盛頓州立讀博的老師,所以Dias的磁化率測量技能還是和Mathew Debessai學的呢。Hirsch很快定位了Mathew Debessai 2009年的一項關于Eu超導的工作。Eu超導是一項大家廣泛相信(畢竟數據比較扎實),但一直沒重復出來的工作。
Hirsch打的其實是Dias和Mathew Debessai的2020關于C-S-H的工作,好了,測試方法一樣,原始數據畫出來的線一毛一樣,“扣除背景”的方法一毛一樣,這還能服重嗎?自然Dias沖擊室溫超導的第一次努力就失敗了,C-S-H論文于2022年9月被撤稿。
牛人都是不服氣的。Dias組后來又換了測試方法,繼續宣稱C-S-H超導,文章在arXiv里(arXiv: 2302.08622v2),依然是一個基于BCS的敘事。
當然,我們現在的主菜是Lu-N-H體系,它看起來更古怪,在近常壓(1GPa)下就實現了室溫(21°C)超導,磁化率測量方法也更新過了,輔之以更加難實現的比熱數據,依舊靚麗的電阻曲線。
個人很關心:
- 材料的結構與組分,Dias組尚未披露,原則上中子衍射實驗可以搞定。
- 能隙的大小,目前文章似乎沒測。
- 同位素效應,即把H換成D再測一下。
我們一般是通過能隙/Tc的關系,以及同位素效應來判斷是否為“電-聲子”(BCS)機制的,如果Dias的工作能重復的話,那么這種材料的超導機制將成為我們顯然會關心的一個話題。屆時,Dias利用他的知名度成立個AI公司專攻材料設計會比讓“常溫超導”實用化更現實。