室温超导?arXiv:1807.08572及其后相关报道 持续更新【2018.9.9已更新】

    2018年7月23日,一个宣称自己来自印度科学研究所的叫做Dev Kumar Thapa的印度人在著名文献预印网站arxiv上发布了一篇名为“Evidence for Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures”的文章,宣称自己发现了一种微结构中的室温超导,转变温度为236K(约为摄氏-37°C),已经处于地球上能长时间存在的温度范围内,而其某些组分的微粒甚至在350K的温度下也表现了类似超导的现象。消息一出引起轩然大波。室温超导一旦实现,对研究高温超导体的科学家们的影响程度无异于原子弹爆炸,而面对这样一篇未发表的预印本文献,其实验结果能否重复?其真实性尚待验证。而对其发布的内容,科学家们很快展开了激烈的讨论。

arXiv:1807.08572

    首先来介绍一下文章中的内容。图1中展示了其金银微结构,银粒镶嵌在金的基底中,d为沿c中红线的金银分布,可以很明显地看出这点。为了进一步研究,将这些微粒制成薄膜或小球。

图1 微结构

    将其纳米晶体沉积在蒸镀了四个电极的玻璃基板上,从而实现对其电阻率的四端法测量。图2中展示了其电阻测量结果,可以看出其电阻随温度变化很小,而在240K时突然下降到小于10^-4量级,使用Nelson-Halperin公式(适用于薄膜超导体)拟合得到转变温度为236K。计算得到其电阻率小于10^-10量级,远低于任何已知的导体。同时进行了施加磁场的测量,施加磁场情况下Tc减小,这点与超导相变一致。

图2 电阻率测量结果
Nelson-Halperin公式

    As we all know,超导体有两个同等重要的性质:零电阻和完全抗磁性。自然,要证明其为超导体这两种性质缺一不可。因此Thapa先生也对其磁化率进行了测量,图3中为磁性测量结果,与薄膜结果一致,同样可以看出其转变温度随着施加磁场减小。此处存在两点问题,一是体积磁化率没有达到完美的-1,而是最低-0.056,作者认为这可能是不完美烧结引起的;此外图中仅展示了ZFC(零场冷却)的数据而没有展示FC(带场冷却)的数据,这点也是很反常的。

图3 磁化率测量结果

    作者在文中也提到“实际上,观测到的抗磁量与晶粒尺寸为20 nm的颗粒超导体是一致的”……“观察到的抗磁性远强于与大多数正常材料有关的数值,以及以前关于纳米金或银的报道”。因此作者认为此现象即超导相变。而作者在尝试不同化学配比时发现,纳米结构中金的摩尔分数与超导转变温度存在关系(图4a)。通过减小金的含量可以提高超导转变温度。最终在摩尔分数0.73的纳米结构中甚至似乎发现了真正的室温超导(图4b、c)。

图4

    室温超导消息一出,那是一石激起千层浪啊,甚至我们实验室一大早都在讨论这件事,我去找老师聊别的的时候老师也问我看没看这篇文章。而办公室的一个师姐非常淡定地表示:“这种文章过段时间就会冒出来一篇”。但是这篇文章的可怕之处在于其中数据看起来非常像真的。果然,不久之后,就有反对者发现了其中似乎存在某些疑点。

arXiv:1808.02929

    8月10日,来自MIT的Brian Skinner发现了其中的反常。要不人家怎么能上MIT呢,确实有过人之处啊。这个问题很简单也很明显,就是下图中放大的部分,蓝色和绿色的形状太像了。这部分代表的是完全抗磁态下的噪音。

    这篇文章中作者还说的很谨慎,仅仅说此处对应的噪声应该是完全随机的,而不应该出现这种重复的噪音。“在我所知的范围内,这种在磁化率中重复噪音的不寻常特征,在超导文献中是没有先例的,也没有明显的理论解释。”

arXiv:1808.04912

    密苏里大学的D. K. Singh在8月14日上传的文章中先挺了一下然后又踩了一脚。

    如图,他首先将其中结果与2009年同样报道了的室温超导的arXiv:0905.3524中数据进行了比较,认为其中似乎金属银起到了至关重要的作用。而银是一种等离子体材料,这是否意味着等离子体可以作为超导配对的媒介?这或许是高温超导研究的新方向。

    他也对其中未报道的FC数据提出了质疑。arXiv:0905.3524中的作者是使用交流磁化率进行的测量,但最新的arxiv:1807.08572中似乎采用了通用的ZFC/FC方法,而文章中并未展示FC数据,这是否是作者在隐瞒什么?超导体中FC曲线通常也表现为负值,表现抗磁性,若其表现为正,则可能是其他现象引起的。换句话说,仍不能通过文中给出的数据(假设其为真实的)完全认为其达成了室温超导。

Summary

    从种种疑点来看,此次的所谓“室温超导”事件水分较大,可信度不是很高。不过相信科学界也会继续对其进行调查,是否会像韩春雨事件一样又是一场骗局?时间会给我们答案。




2018.8.16



2018.8.20更新:  

arXiv:1808.05871

    八月20日,匹兹堡大学的David Pekker和Jeremy Levy提交了一份评论,他们表示先抛开那个奇怪的噪声重复,提出了另一种非超导的通过渗流相变可能引起同样现象的物理过程,并提出了可能的排除该过程的物理实验手段。


另一种情况:在四端测量中,如果低于渗滤阈值,电流携带状态可能会出现零电阻。

    他们在上图中绘制了根据原文中所提及信息猜测的装置可能图片,而图中虚线圈起来的则为分立的导电区域,他们提出的可能现象即从端子1到端子4的电流未经过端子2、3,因此端子2、3的电压几乎差为0从而四端法得到的结果也为0。而(b)中标出了14、23电极的I-V曲线,若继续增加电流,可能存在击穿电压使得V23不再为0。他们指出,这种渗滤条件可能对纳米粒子之间的微小的分离变化非常敏感,因此不同的合金成分可以改变这种转变对应的转变温度。

    针对测量到的抗磁现象,众所周知,块状金表现为抗磁性,而之前有研究表明其抗磁性在薄膜态中被强烈抑制,由此表明渗滤现象对纳米结构材料的抗磁性能有很强的影响。

    而他们提出的建议也非常简单:使用两端法进行测试,这样虽然可能因为仪器及接触电阻的存在,电阻不可能测得那么小,但是也可以观测到Tc附近电阻的突然下降,排除本文提到的这种情况。而为了进行更深一步的测量,也需要对本实验中的电流电压引线的I-V曲线进行更细致的测量,电压和电流引线的其他排列可以帮助阐明测量引线之间是否存在其他直接连接的路径。因此,更细致的测量是十分必要的。

    期待之后的更新。(莫名有一种追更网络小说/动漫的快感怎么办)




2018.9.9更新:

arXiv:1808.10388

    8月31日,Dev Kumar Thapa的印度同胞,自称来自印度艾哈迈达巴德物理研究实验室的Navinder Singh提交了一份名为“对arXive:1807.08572实验数据中重复的噪声的一个可能的解释:量子约束效应与表面声子模”的预印本。提出了一种对该重复噪音的可能的解释。

    初读本文,给我的第一反应就是不靠谱,这位三哥留的邮箱不是单位邮箱而直接给了个gmail,甚至还留了固定电话和手机号,而他的reference中甚至包括了一篇Facebook博文(欺负我办公室电脑翻不了墙是吧?),这都是什么骚操作【黑人问号脸???】抛开这些,我们还是不要戴着有色眼镜看人,我们来看看他的内容再判断吧。

    首先,他引用了Pratap Raychaudhuri的Facebook博文中关于重复噪音部分的讨论,指出若认为其学术不端的前提是确确实实在两次独立的实验中观察到了相同的随机噪声,“只有当一个人确实能识别出信号中的噪声时,这个前提才成立。但是,如果被识别为噪声的数据的成分根本不是噪声,而是信号的一部分,该怎么办?”

    因此,本文的核心建立在提出一种可能性,即超导态时存在某种现象,导致的结果是磁化率对温度的函数关系。

    前面提到的Facebook博文中认为较弱的磁场中纳米粒子不会远离其初始位置,而是受到一个力矩在其附近做不规则移动(就像砂粒用手推时移动一样),撤去磁场后会回到初始位置,也因此在更高的磁场中磁场使得粒子完全离开初始位置,这种重复现象消失。

    但本文作者对其提出质疑,既然这些纳米粒子中不存在磁性离子,那又何来的磁场引起的力矩?只有超导态的完全抗磁性引起的与磁场相反的磁矩及表面的环形罢了。而基于此,Navinder Singh认为,这种环形反磁电流可能随着温度的变化一个接一个的激发离散声子(声子模在体中连续而在表面具有离散能量)从而被温度调制。经他估算,激发不同声子模时的温度间隔大约为1K,恰好是文中数据震荡的间隔。

arXiv:1808.10388的估算过程

      因此,他认为,噪声”的产生机制可能是随着温度的升高,表面声子模的连续激发,由于磁弹性耦合作用,这些声子模式的激发对纳米复合材料的磁化率有一定的调节作用(磁化率是由于超导态下纳米复合材料外围的感应循环电流所致)。

      这么看起来这种解释比前面这个人给人的第一印象靠谱多了,但是这只是一种猜测,甚至估算都是很粗略的,完全不能因此减少任何对arXiv:1807.08572中是否真的发现室温超导的怀疑,毕竟这个诱惑太大了,多少人都梦寐以求,一旦实现诺奖都是小case,因此不能轻易下结论,必须要谨慎。


References

都写在小标题了就不再写了

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