編者按（9/29/23）：這篇 3 月 10 日的文章報道了一項研究，該研究聲稱發現了發表在《自然》雜誌上的室溫超導材料。本週早些時候，《華爾街日報》報道稱，該論文近四分之三的合著者已聯絡出版商，要求撤回該研究，因為該研究存在缺陷。《自然》雜誌已確認正在與該小組聯絡，並計劃採取行動。
本週，研究人員聲稱發現了一種超導材料，可以在接近真實世界的條件下無能量損耗地傳輸電力。但幕後的戲劇性和爭議讓許多人擔心，這一突破可能無法經受住科學的嚴格審查。
“如果你們能找到一種室溫、常壓超導體，就會出現一系列全新的技術——那是我們甚至還沒有開始夢想過的，” 布法羅大學的計算化學家 Eva Zurek 說，她沒有參與這項新研究。“如果結果證明是正確的，這可能會是一個真正的遊戲規則改變者。”
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一個多世紀以來，科學家們一直在研究超導體。透過以不以熱量形式損耗能量的方式傳輸電力，這些材料可能使創建極其高效的電力線和永不發熱的電子裝置成為可能。超導體還會排斥磁場。這種特性使研究人員可以將磁鐵懸浮在超導材料之上，作為一項有趣的實驗——這也可能促成更高效的高速磁懸浮列車。此外，這些材料可以產生超強磁鐵，用於風力渦輪機、行動式磁共振成像儀甚至核聚變發電廠。
以前發現的唯一超導材料需要極端條件才能發揮作用，這使得它們在許多實際應用中不切實際。已知的第一批超導體必須用液氦冷卻到僅比絕對零度高几度的溫度。在 20 世紀 80 年代，研究人員在一類稱為銅酸鹽的材料中發現了超導性，這些材料在更高的溫度下工作，但仍然需要用液氮冷卻。自 2015 年以來，科學家們在富氫材料（稱為氫化物）中測量到了室溫超導行為。但它們必須在一種稱為金剛石壓砧的精密虎鉗狀儀器中加壓，直到達到地球中心附近發現的壓力的四分之一到一半左右。
這種名為氮摻雜鎦氫化物的新材料是氫、稀土金屬鎦和氮的混合物。雖然這種材料也依賴於金剛石壓砧，但研究發現，它在約 10,000 個大氣壓的壓力下開始表現出超導行為——大約比其他氫化物所需的壓力低 100 倍。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的凝聚態物理學家 David Ceperley 說，這種新材料“比以前的材料更接近環境壓力”，他沒有參與這項新研究。他還指出，該材料在一種大氣壓的室壓下儲存時保持穩定。“以前的材料只在一百萬個大氣壓下穩定，所以你真的無法將其從金剛石壓砧”單元中取出，他說。“它在一個大氣壓下穩定的事實，也意味著它更容易製造。”
氫是新材料的超導能力以及任何氫化物超導能力的關鍵。在 20 世紀 60 年代，研究人員首次計算出該元素的金屬形式可能是一種超導體。其想法是，當電子配對並形成一種新的物質狀態時，就會發生超導性，而這可能發生在金屬原子核周圍的電子湯中——特別是當這些原子核屬於超輕氫原子時。不幸的是，要使這些原子將其相從氣體轉變為金屬，將需要極端的壓力——大約是地球中心壓力的 1.5 倍。但是，如果將氫原子與一種或兩種其他元素以氫化物的形式結合起來，研究人員認為，其他原子會壓縮氫，使其在較低、更容易獲得的壓力下達到金屬狀態。“我們想找到合適的稀土材料，以在儘可能低的壓力下模擬這些相同的金屬氫特性。這就是鎦金屬進入視野的原因，” 羅切斯特大學的物理學家、該研究的合著者 Ranga Dias 說。“然後，使用氮是為了穩定這些結構。”
本週發表在Nature雜誌上的一篇論文中描述的這種材料，可能會提高人們對其他可以進一步降低壓力要求的氫化物的希望。不幸的是，這項工作一直受到關於 Dias 和該研究的合著者、拉斯維加斯內華達大學物理學家 Ashkan Salamat 先前論文的爭議的困擾。“有兩種可能的方法。一種是忽略過去，只看這篇論文，看看它是什麼，” 日內瓦大學的名譽教授 Dirk van der Marel 說，他沒有參與這項新研究。“如果我這樣做，那麼這是一篇很棒的論文。” 他指出，作者使用了多項超導性測試，這提供了“極其豐富的資料”。但 van der Marel 並沒有自動信任這些資料，部分原因是他在分析同一作者之前的作品時獲得的經驗。
2020 年，Dias、Salamat 及其同事在Nature雜誌上發表了一篇論文，描述了一種不同材料（稱為含碳硫氫化物）的室溫超導性。加州大學聖地亞哥分校的物理學家 Jorge Hirsch 質疑了證明該材料可以被磁化的程度（稱為其“磁化率”）的資料的出現，並呼籲作者釋出其原始資料。這項測量非常重要，因為它表明了超導體的一個跡象：排出磁場的能力，這種現象稱為邁斯納效應。由於必須在超導氫化物位於金剛石壓砧單元中時進行此測量，因此結果包含背景噪聲。為了消除該噪聲，研究人員對背景進行了單獨測量，並將其從原始資料中減去，以得出最終的磁化率值。Dias 和 Salamat 反駁了 Hirsch 的主張，並最終釋出了請求的資料。Hirsch 和 van der Marel 共同分析了這些資料，並得出結論，這些資料充其量是以非傳統方式處理的，或者說，最壞的情況是被操縱了。Dias 和 Salamat 辯稱，他們的處理方法被誤解了。
這場爭議導致Nature雜誌在 2022 年撤回了 2020 年的論文，所有作者都反對這一決定。Dias 和 Salamat 表示他們堅持自己的結果，羅切斯特大學（Dias 在那裡工作）的兩項調查發現沒有不當行為。作者還表示，他們已在美國能源部的兩個不同實驗室重新進行了原始實驗，並有外部觀察員在場，這項工作證實了原始結果。“時間是一個很好的同行評審過程，” Salamat 說。Dias 說，研究人員已將其原始論文作為預印本進行了更新，並重新提交給Nature雜誌。然而，其他實驗室尚未能夠獨立複製原始結果。但是，實驗室可能需要很長時間才能複製然後測試特定材料。這場曠日持久的衝突涉及釋出多份預印本，雙方都不接受對方的論點。最終，衝突變得如此激烈，以至於預印本伺服器 arXiv.org 的管理員刪除了雙方的論文，並對 Hirsch 實施了臨時出版禁令，Hirsch 對此表示反對。“我的論文分析了資料，並指出了不一致之處，” 他說。
Hirsch 此前因直言不諱地批評超導性研究而聞名，但他和 van der Marel 並不是唯一調查這些作者的研究人員。除了研究磁化率外，佛羅里達大學的物理學家 James Hamlin 還檢查了 2020 年Nature雜誌論文中的電阻資料。當材料達到超導狀態時，其電阻降至零。這種現象的測量不需要任何處理來消除背景噪聲，就像磁化率資料那樣。然而，Hamlin 指出，即使是電阻資料似乎也經過了這種處理，而這在論文中並未公開。他認為 Dias 和 Salamat 對這些差異的回應不足以解釋這些差異。“他們發表了這些看起來像是科學論證的東西，有點混淆了視聽，” Hamlin 說。“但如果你真的檢查他們的回應……，它根本站不住腳。並且沒有解決” 其他研究人員提出的擔憂。
Hamlin 繼續分析了 Dias 和 Salamat 於 2021 年在Physical Review Letters (PRL) 上發表的一篇論文，他們在論文中與同事一起測量了另一種名為硫化錳的氫化物。Hamlin 指出，2021 年論文中的電阻資料與 Dias 2013 年博士論文中的資料之間存在相似之處，後者涉及一種完全不同的超導材料。他與該期刊和該論文的作者分享了這些擔憂。Salamat 此後做出了回應，暗示即使這兩個資料集可能看起來相似，但這種相似性並不能表明資料被複制了。“我們已經表明，如果你只是定性地疊加其他人的資料，很多東西看起來都一樣，” 他說。“這是一種非常不公平的方法。”
這並沒有讓 Salamat 在 PRL 論文上的至少一位合著者滿意：前研究員 Simon A. J. Kimber 對聽到有關資料潛在問題感到不安，並同意 Hamlin 的結論。“我已經在這個領域工作了很長時間，我想不出任何合理的解釋來解釋為什麼這些資料集會像這樣重疊，” 他說。“我回復了所有人，包括 PRL 的編輯，並說，‘我認為這應該撤回。我想不出任何合乎邏輯的理由來解釋為什麼會這樣——撤回，撤回，撤回。’” 據該期刊出版商美國物理學會的執行編輯 Jessica Thomas 稱，編輯目前正在調查這些說法。“我們非常重視資料偽造的指控，” 她說。“與此同時，專業聲譽岌岌可危，我們必須認真、準確地收集資訊。我們還努力確保交流保持專業和尊重。”
鑑於過去的爭議，Dias 和 Salamat 為他們的新論文費盡心思地徹底測試了新材料，進行了三類不同的實驗，表明發生了超導性。“為了證明超導性，您想要提供的關鍵領域是電阻降至零、磁化率——這證明了這種排出磁場——以及熱容測量。這是三個不同的方向，” Dias 說。“在這篇論文中，我們小組完成了所有三項測量，包括子測量，” 例如對連續場和波動場進行的兩項不同的磁化率測量。
這篇新論文還為想要合成新氫化物並自行測試的其他研究人員提供了“配方”，但作者尚未分享該材料的現有樣品。他們正在共同創立一家名為 Unearthly Materials 的初創公司，以將室溫超導體商業化，並表示他們不希望透露其智慧財產權。“我們有非常清晰、詳細的關於如何製造這些材料的說明，就像我們所有的研究一樣。我們只是要求那些否認的小組……自己完成這些協議，” Salamat 說。“我們很高興看到其他小組複製並推進高溫超導領域。” 一些研究人員（例如 Kimber）表示，他們不會投入時間和資源來複制結果，因為他們不信任這篇新論文。但其他超導實驗室可能會嘗試。
如果他們確實成功複製了這些結果，他們可能會開闢令人著迷的新研究方向。例如，新材料的確切結構尚未完全瞭解。Salamat 使用了成像方法，揭示了化合物中重鎦原子的位置，但該團隊尚不確定較輕的氫原子和氮原子的構型。該材料還含有相對較少的氫，儘管氫是理論上賦予氫化物超導能力的物質。包括 Zurek 和 Ceperley 在內的多位研究人員對這種矛盾感到好奇。這可能指向關於氫化物材料中如何產生超導性的替代理論。
伊利諾伊州阿貢國家實驗室凝聚態理論小組組長 Michael Norman 說，這篇論文中提出的重大主張以及過去的爭議都提高了證明的標準，他沒有參與這項新研究。但是，在結果被複制之前不願意相信結果在超導領域中並不少見。他指出，1986 年發現了銅酸鹽，銅酸鹽被發現在比以前的材料更高的溫度下具有超導性。發表後，“在最初的六個月裡，人們幾乎沒有關注這篇論文。但後來，當一個日本小組複製了結果時，那時每個人都湧入了該領域，” Norman 說。至於這項新研究，“我很確定，在看到另一個小組複製它之前，人們會保持謹慎的樂觀態度。”