要颠覆整个物理界？印度科学家发布室温超导重磅成果

爱相随

最近，印度科学界正处于一个非常时期：如果一篇新论文通过《Nature》的审核，那么印度将迎来其继拉曼效应后又一个世界重磅科学贡献。
　　7 月 23 日，论文预本网站 arXiv 上面出现了一篇论文，标题翻译过来是：《室温和常压下超导体存在的证据》，作者是印度科学院固体物理和结构化学系的 Anshu Pandey 教授和他的博士生 Dev Kumar。他们在论文中声称，在室温和常压下，一种由金和银构成的纳米复合材料显现出了超导的特性。

　　室温超导一直是学术界研究的热门话题，这个奇特的性质几度在科幻与现实之间摇摆，可望而不可及，很多物理学家愿意终其一生去寻找室温超导的答案。过去的几十年里不乏有关于“室温超导”的论文发出，每次都会引起学界不小的讨论。最后往往是讨论尘埃落定，大家铩羽而归。

　　

　　图丨 Anshu Pandey（来源：印度科学院官网）

　　论文发出后，印度凝聚态领域的理论物理大牛们难掩兴奋，毕竟这可能为印度带来又一项诺贝尔物理学奖。上一个获奖的印度人是著名的物理学家钱德拉塞卡拉•拉曼，他因著名的拉曼效应使他成为 1930 年诺贝尔物理学奖得主。

　　理论物理学家 Vijay B。 Shenoy 在一次报告会上说为这项实验背书：“这很超导，如果实验属实，这种神奇材料背后的原理肯定会是一种全新的超导理论。”

　　另一位印度超导研究的权威 T.V.Ramakrishnan 对媒体表示：“我认为，这个实验是真实的，很显然，电阻和磁化率的数据符合超导的要求，它们之间也吻合得很好。至于其背后的原理，当然是重要的，但也可以稍后做探索。至今人们为超导的原理还争论不休。”Shenoy 也补充到：“凝聚态领域几乎所有重要的理论都要晚于实验结果。”

　　然而鉴于此次研究的重要意义，文章曝出后也引发学术界的热烈讨论，其中不乏对室温超导的质疑。一些实验物理学家认为，本次研究并不能成为发现室温超导的直接证据，而只是指出了一种可能性。

　　更有麻省理工学院的学者指出，其文中的两组相互独立的关键数据竟出现完全一样的随机测量误差。这在科学界，就像是连续两期六合彩竟开出完全相同的中奖号码。

　　

　　图 | 一块磁铁漂浮在超导体之上（来源：Wikimedia Commons）

　　金银混合的纳米颗粒

　　先从超导说起吧。

　　但凡一种材料都会有电阻。金属的电阻很小，是良导体，因此它们被制成了传导电流的设备，比如铜制的电缆。但是在高压电缆上仍然会有严重的热损耗，如果用超导体制成的电缆就可以完美地解决这个问题。

　　超导体，顾名思义，是一种超级导体，电阻为零。超导状态下的材料除了电阻快速降到零，还会有一个显著现象：完全抗磁性，即磁感线无法穿过一个超导体，因为超导体排斥了所有的外部磁场 （在磁场不大的情况下），从而使其内部磁场为零。把一个磁铁放放置于超导体上，它会漂起来，在外力的作用下零阻力的移动。这个现象也叫做迈斯纳效应，对于一个理想的超导体来说，体积磁化率—衡量物体被磁化的程度—为-1。

　　理论上讲，超导体是各种电气设备的理想材料，用它制成的电缆可以零发热输送很高的电流，超导磁悬浮列车可以零阻力狂奔，是不是一片另人向往的生活前景？

　　只可惜，虽然在过去的一个世纪里人们发现了很多超导体，从单质到复合物，再到复杂的化合物甚至是奇异物质，我们还是没有办法实现这些美好的生活愿景。因为这些超导体无一列外是低温超导，这个低温不是你家冰箱的冷冻室，也不是穿着短裤站在南极的冰面上，而是接近绝对零度 （-273°C） 的低温，这个温度下几乎所有气体都是液态。

　　

　　图 | 实验中使用的电极，深灰色区域附有金银混合物薄片，薄片有 100nm 厚，黑色的长条长度为 3mm（来源：此次论文）

　　那么，Pandey 的团队是在什么样的实验中发现室温超导的呢？

　　这个实验说简单也简单，他们将直径为 1nm 的银颗粒嵌入到了金的网格中，并将这种混合物制备成了直径为 10-20 纳米的颗粒。值得注意的是，论文只提及了制作这种混合物的方法叫化学烧结法，对其详细过程并没有作详细描述。这些纳米颗粒进而再被制成薄片，附在电极上面，以方便测量其电阻。

　　随着温度的降低，电阻刚开始并没有什么显著的变化，但是当温度降低到 230-240K 的区间时，电阻一下子从 0.7 欧降到了 100 毫欧。报告中说由于仪器精度的限制，他们推测实际的测量值可能还要更低。这意味着每单位长度的电阻将小于 0.1 纳欧，比普通金银的电阻整整低两个数量级。Pandey 估计了临界温度在 236K（-37.15°C）附近。临界温度随外磁场的升高而降低，也符合超导体的特性。

　　

　　

　　图 | 电磁特性随温度的变化。左为电阻，右为体积磁化率。（来源：此次论文）

　　在抗磁性方面，Pandey 测量了材料的体积磁化率随温度的变化。发现它在临界温度附近从零降到了-0.06。这个值离理想超导体的-1 还差得很远，不过研究人员给出了一个理由，纯度不够。等效地说材料有 6% 的区域是超导。

　　“这个实验做得很干净且有说服力”，数学科学研究所的 GanapathyBaskaran 教授说，“对于粒状超导来说，10%的超导占比已经不低了。”

　　物理“圣杯”的争议：夸大其词？数据异常？

　　目前为止，236K 的临界温度离室温还有一段距离，Pandey 在论文中仅仅提出了达到室温的一种可能性：降低材料中金的比例。在他们声称的另一项研究中，一块含有较少金成份的样品在温度降到 320K（46.85°C）时，其电阻骤降了三个数量级。这个温度已经要比赤道上很多地方的温度要高了。该样品的体积磁化率为 -0.037，也属于完全抗磁的范畴。

　　不过，很多实验物理学家指出，这些证据最多指向了室温超导的可能性，并不能用为发现室温超导的直接证据。

　　回到这次的研究上，关于为什么选择金和银做为素材，Pandey 仅仅在论文中说：“本着一种去寻找非声子模型的目的，我们才把注意力转移到用金和银制成的纳米结构的。”面对更多的提问，Pandey 选择了缄默。众多理论物理学家对他的回答采取了一种宽容的态度：“他们用这种材料肯定有其自身的原因，我相信在论文被接受发表之后，他们肯定会透露更多的细节的，”Shenoy 说。

　　Ramakrishnan 已经开始动员印度科学家研究 Pandey 实验中的这种金银纳米结构了。“我们还要让化学家们参与进来，因为他们更懂得如何去制备这种纳米材料，而论文的作者也没有提供有用的细节。另一方面，物理学家还要研究这个结构的其它电磁性质，以及光学性质。我确信，世界上已经有好几个研究组着手研究了。”

　　但是，在理论物理学家们的支持论调下，Pandey 的真正同行――实验物理学家――却显得更加严谨。一位不愿透露姓名的超导实验物理学家指出，实验的数据不完整，“论文标题是室温超导，而数据却只支持 236K 的超导。是这更像是一项尚未完成的工作，除非他们给 《Nature》 杂志提交了更完整的数据。”实验所能达到的测量精度则更让他纠心。“测量精度最好能达到 1 毫欧（1e-3 欧），也就是说压降精度要达到 1 纳伏 （1e-9 伏）。磁化率的数据也需要更精确。”

　　他还指出实验缺乏一项关键数据――场冷却数据。这项数据在实验者先打开测量磁场后将样品冷却时获得。这项数据可以帮助计算出准确的超导区域占比，从而与磁化率进行交差验证。