三、新的室温超导
有了上面这些预备知识,我们就可以一起来看一下这篇已经被发表在nature上的文章了。
同大部分超导的文章一样,Dias研究团队对样品电输运、磁化率及比热进行了测量。
首先是电阻的测量结果,左图中给出了10、16、20kbar(1、1.6、2.0GPa)下的电阻测量结果,三个电压下电阻都降低到了0,这正是超导体的主要特征之一,需要注意的是,这里1GPa时Tc是最高的,压强越低,Tc越高,是一个令人意外的结果。插图是样品及电极图片。右图则给出了超导态与正常态的V-I曲线。
这张图是对磁化率的测量,a图是60Oe(Oe是高斯单位制中表示磁场强弱的单位,可以理解为高斯,即1T=10000Oe)下8kbar(0.8GPa)的磁矩随温度的变化图,可以明显看到其Tc为277K(4℃),b图给出磁矩与外磁场的关系,也符合超导体的特征,c图则是不同压力下的M-T曲线,这里的Tc与电阻上的保持一致,转变温度区间也很小,是非常好的转变。不过在a图中也可以看出来研究团队对原始数据做了一定处理。
这里多提一句,磁化率的测量会明显受样品形状、背底等因素的测量,理论上超导体应该表现出完全抗磁性(即4πχ=-1),但实际测量中测不到完全抗磁性(即4πχ>-1)也是可以理解的。当然Dias的文章中并没有约化,a图中纵轴是磁矩,并非磁化率。
Dias还对比热进行了测量,结果如上图所示,这里给出了10、10.5、20kbar的测量结果,可以看到,三个比热的曲线均能看到超导在比热上的转变,Tc与电阻的测量结果略有区别但完全可以理解,这个结果是合理的。不过该说不说,这个比热的转变并不算明显,尤其是10.5kbar的曲线,峰并不明显,10kbar的转变也尚不如20kbar明显。这三个比热的转变看起来也有些区别,尤其是10kbar和10.5kbar的数据,仅差了0.5kbar,但图像差异却很大。不过考虑是高压下测量的,或许有一些我们不知道的困难吧。
Dias还给出了样品的XRD(X射线衍射)结果,并绘制了晶胞图像,这当然也是必要的。
a图即XRD结果,他们采用了Mo靶,红线是理论计算的结果,圆圈是实际测量的结果,蓝线是二者的误差,看得出来,测量与计算的结果区别很小,样品可以说是一个纯相,Dias团队计算样品占比为92.25%,杂质为LuN1−δHε和Lu2O3。
b图则是他们绘制的晶胞图,白色原子是氢,绿色的是镥,粉红色的是氮原子,他们给出的样品化学式是LuH3−δNε,61kbar时空间群是Fm-3m和Immm,但Dias认为超导相空间群是前者。
最后是该样品的超导相图(原文这是第一张图),Tc随着压强升高而减小,这是出乎大家意料之处,后面或许也将成为研究的重点,b图是样片形貌随着压强的变化,常压下是蓝色的,随着压强升高逐渐变为粉红,最终呈现红色,样品的颜色还是非常喜庆的。
从文章来看,这项工作无疑是突破性的,相关证据也很充足,如果能重复出来,搞不好未来能发诺奖。但物理学的研究终究不是一家之言,任何科学研究都应该经得起验证,这个也不例外,这项工作势必要经过行业内各个研究组的重复,如果经过多次重复之后,确定该结果的正确性,那将是划时代的工作。我们今年诺奖预测也就有底气了。
这次的工作号称是近环境下的室温超导,通过上文,大家也能看到,Tc最高处的压强为1Gpa,大约1万个大气压,虽然还是很大,但相比于之前的270万个大气压,已经小了很多了,重复的难度也小了很多,相信已经有很多研究组已经开始着手重复实验了。
不过目前很多人对这个结果持观望态度,一方面是因为重复实验结果还没出来,另一方面或许是因为Dias之前的"前科"。
其实,在这之前,Dias就已经有了两个突破性的进展。一个是金属氢,另一个就是上一个室温超导。
Dias首先宣称自己在高压下合成了金属氢,相关文章发表在science上,但其他研究组没有重复出来,而他自己后来宣称,由于保存不当,保存金属氢的装置压力泄露,最终金属氢因为压力不足汽化消失了。后来,Dias也没有再合成金属氢。由此,金属氢可以说是成为了一桩"悬案"。
上次的氢化物室温超导也是由Dias合成的,其实现的压强高达270GPa,相关结果发表在nature上,但后续多个研究组试图重复该实验未果,并由于Dias未披露原始数据,多人认为其在磁化率的数据处理中使用了错误的方法,得到了并不能算正确的结论。因此在大家的一致抗议下,最终该文章被从nature上撤稿,当然,Dias研究团队所有成员都对该撤稿行为表示抗议,不过最终没有挽回。
正是因为这两起事件,领域内许多科学家对Dias研究团队其实持不信任态度,毕竟他们的数据结果总是比别人漂亮许多。但这次Dias给出很多原始数据,可以说全面又丰富,况且这次的成果只需要1GPa的压强,重复起来相对简单,想必我们很快就可以对该成果给出一个定论了,让我们拭目以待吧。