研究背景
近日，Gregory S. Boebinger教授（美國佛羅里達州立大學）和Joerg Schmalian教授（德國卡爾斯魯厄理工學院）聯合發表在《Nature Reviews Physics》上的評論文章《Hydride superconductivity is here to stay》，針對近年來高壓氫化物超導性研究中的爭議進行了深入分析。盡管該領域在公眾和學術界引起了廣泛關注，但由于科學不端行為的曝光以及部分數據的爭議，氫化物超導性是否真實存在一直備受質疑。文章中，作者通過嚴謹地審視六篇關鍵論文，詳細討論了氫化物超導性現象的實驗數據，特別是電阻、磁化率等經典超導性檢測手段的結果。基于這些分析，作者得出結論：氫化物超導性現象是可信的，且具有開創性和前瞻性，預計將推動超導研究的新進展。文章呼吁科研界繼續支持這一重要領域，并鼓勵年輕科學家加入這一富有挑戰性的研究領域。
主要內容
近年來，高壓氫化物超導性成為了現代超導性研究的前沿領域之一。過去幾年，盡管這一研究引起了廣泛關注，但也伴隨著大量的負面聲音。科學欺詐案件已被揭露，并且關于某些論文數據的具體問題仍在爭論之中。在所有這些喧囂中，人們可能忽視了一個大問題：即該領域是否站在堅實的基礎上？也就是說，高壓氫化物是否真的具備超導性？在此，研究者重新審視了這一核心問題。研究者挑選并批判性地審查了六篇關鍵論文。研究者團隊中的每一位成員都在超導性研究方面有著大量的工作經驗，因此研究者希望研究者的結論能夠得到一定的認可。為了保證對科學事實的公正分析，研究者特別選擇了從未直接參與氫化物超導性研究的作者，以確保對實驗數據的評估盡可能客觀公正。研究者的結論是：氫化物超導性現象的真實性極為可能。大多數人認為，氫化物超導性研究的突破性論文是2015年由美因茨的馬克斯·普朗克研究所團隊發表的。這篇論文描述了將H?S壓縮到超過大氣壓一百萬倍的極端條件下，觀察到約200K的超導轉變，并認為這是H?S的形成所致。這項著名的工作隨后被一些實驗所跟進，這些實驗通過壓縮和加熱氫和金屬原子的混合物，直接在高壓環境下發生化學反應形成化合物，并隨后對其進行冷卻以檢查是否出現超導性。 為了評估實驗數據，研究者限制于兩種經典的超導性探測手段——電阻和磁化率，因為超導材料對這些探測手段的響應已經非常明確。然而，這并不意味著研究者忽視了正在開發的新型測量技術，尤其是那些針對氫化物樣品環境的技術。進行氫化物實驗的挑戰不可小覷。大多數參與實驗的團隊都很公開地承認，在此類實驗中產生的高壓物質具有化學不均勻性，樣品中存在的相通常很難準確識別。這并不令人驚訝：在這種環境下，標準的固態化學技術很難使用。在分析物理測量數據時，研究者必須考慮到目前不可避免的樣品不均勻性。電阻數據中，某些過渡可能是由于在壓縮材料中建立了脆弱的貫穿路徑，而其他過渡則可能不完全，因為樣品中只有一部分區域是超導的。在磁性測量中，樣品環境還面臨更多挑戰。即使使用專門為此目的設計的最小化高壓樣品池，其質量大約是潛在超導體的100百萬倍，因此需要極其小心地將背景信號降到可以觀察超導貢獻的水平。研究者首先考察了氫化物超導性的關鍵電阻證據。許多實驗使用四端測量法進行，理想情況下，如果是均勻的超導體，電阻應降到儀器噪聲水平。在一些案例中，例如在參考文獻1、2、3中，電阻的下降現象確實出現，這可能是因為在壓縮的材料中形成了貫穿路徑，而非樣品本身是均勻的。而在另一些案例中，例如參考文獻4、5中，雖然電阻沒有完全歸零，但從實際空間成像中可以看出，完全貫穿路徑的不可能性。 單獨來看，這類電阻證據不足以支持超導性存在的主張。然而，文獻中還有許多報告顯示，超導轉變會受到外加磁場的抑制。研究者在圖1中展示了兩個例子。在a和b中，樣品被加壓至155GPa，約在200K時出現轉變。a中展示了電阻在不同固定溫度下的磁場依賴性（T>145K）和脈沖場（T<145K）下的測量結果，數據噪聲較高是正常的；b中展示了在不同樣品上進行的電阻轉變與溫度的關系。a和b圖的c部分展示了兩個實驗（分別來自參考文獻4和5）中提取的上臨界場的結果，二者完全一致。d和e部分則展示了在155GPa和140GPa的壓強下所測得的磁化率回線數據。圖1中的數據有幾個值得注意的方面。首先，圖1a中的數據是在美國國家高磁場實驗室和洛斯阿拉莫斯實驗室獲得的，由與美因茨團隊無關的研究人員進行。其次，圖1b中研究的樣品是由布里斯托大學的完全不同的團隊使用不同的合成方法制備的。圖中顯示的H?S的臨界溫度和上臨界場與美因茨實驗、洛斯阿拉莫斯實驗和布里斯托實驗的結果高度一致。這些不同團隊之間結果的可重復性是任何新現象獲得可信度的一個重要標志。
總結展望
本文的目標既不是回顧整個氫化物超導性領域，也不是討論近期在arXiv和其他預印本服務器以及大眾媒體上對H?S工作提出的詳細問題。研究者關注的是評估氫化物超導性是否真實存在這一更廣泛的科學問題。基于研究者展示和討論的數據，研究者專業判斷認為氫化物超導性現象的真實性極為可能。它既令人興奮又具有開創性，這使得相關數據的公開與合理的科學質疑顯得尤為重要。研究者認為，最有意義的質疑形式應該是通過實驗來確認或否定已有的實驗結果，同時推動新的化合物和測量技術的發展，以推動這一領域的進步。研究者對資助機構的建議是，繼續支持優秀的提案，推動氫化物超導性研究；對年輕科學家的建議是，如果這是你感興趣的科學領域，可以帶著好奇心和熱情投身其中；最后，研究者對這一領域的先驅者表示祝賀和感謝，感謝他們的重要工作。Boebinger, G.S., Chubukov, A.V., Fisher, I.R. et al. Hydride superconductivity is here to stay. Nat Rev Phys (2024). https://doi.org/10.1038/s42254-024-00794-1
