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解讀|中美俄科學家復現韓國的室溫超導?你可能誤解了“復現”

袁嵐峰
2023-08-05 08:23
科學湃 >
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·如果說,有人復現了這種材料有磁性質,那是可以成立的。如果說,有人復現了這種材料有室溫超導,那是完全不成立的。

最近,韓國科學家宣稱的室溫常壓超導成了全球最熱的話題之一。我基于自己的專業知識以及我看到的超導專家的解讀,寫了兩篇文章(韓國科學家聲稱實現室溫超導?可他們的做事方式就證明他們不靠譜)(韓國科學家的室溫超導反轉了?其實完全沒有),基本解釋清了這個問題。最基本的結論是,這些韓國科學家并沒有實現超導,他們錯把一個沒有超導的材料當成了超導。

這其中一個很強烈的證據,就是超導實驗專家、南京大學聞?;⒔淌谠诮邮堋犊萍既請蟆?a >采訪時,指出了韓國科學家在各種實驗數據方面的錯漏,指出他們實際上沒有任何零電阻的證據。聞老師很明確地說,這是超導假象。

聞?;⒔淌谠诳萍既請笪⒉┓Q韓國團隊的超導是超導假象。

不過,最近有不少網友和媒體來問我說,聽說有研究組復現了韓國團隊的結果,請問是怎么回事?有記者引用的說法是,中美俄都有研究組復現了韓國團隊的結果,中俄是實驗,美國是理論。這聽起來,室溫超導得到了很多支持?

看來這類問題具有一定的典型性,我就在這里簡短地解讀一下。最基本的回答是,這種說法可能錯誤了理解“復現”這個詞。如果說,有人復現了這種材料有磁性質,那是可以成立的。如果說,有人復現了這種材料有室溫超導,那是完全不成立的。

我們可以打個比方,把材料各種性質的稀奇程度用下圍棋的水平來比喻。比如說,有抗磁性是初段(絕大多數材料都有抗磁性,例如水,有人能把青蛙加磁場懸浮起來,就是因為水有抗磁性),有鐵磁性(例如鐵、鈷、鎳)是三段,有常規超導(40 K以下的超導,能用BCS理論解釋的,例如水銀、鈮三錫)是五段,有高溫超導(超過40 K,BCS理論不足以解釋,需要某種現在還不清楚的理論解釋的,例如1986年發現的銅氧化物超導和2008年發現的鐵基超導)是七段,那么室溫超導可以算是九段(目前還沒實現,許多人在嘗試通過加壓強來實現這個目標),而室溫常壓超導可以算作十段(比高壓下的室溫超導還要難得多,目前完全沒有理論指導)。

 

1972年諾貝爾物理學獎(https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1972/summary/)。

 

1987年諾貝爾物理學獎頒給兩位發現銅氧化物超導的科學家(https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1987/summary/)。

用這樣的比喻,就可以說,韓國科學家宣稱自己的材料達到了十段,但聞?;⒗蠋煹姆治鍪?,目前看來它最多只有三段。這個材料肯定有某種磁性,究竟是抗磁性還是鐵磁性還需要更多實驗數據。那些所謂實驗復現,都是在這個層面,說它有磁性,但本來就沒人否認它有磁性???然而真正重要的是它宣稱自己達到了十段,但現在完全沒有證據證明它達到了五段,更不用說十段了。所以我感到很有趣,為什么有這么多人對著一個三段的實驗證據沸騰,他們把它錯誤地當成了十段。

而且還有一點值得強調的是:目前包括原始論文和“復現”結果,均未經過同行評議后發表在正規科學期刊。而同行評議是鑒別“段位”的第一步,未經同行評議的論文,只能當做網絡“發帖”而已。也就是說,目前還不能確認任何的段位。

在實驗方面,為什么韓國科學家的證據不足以證明這種材料是超導,我前面兩篇文章已經解釋過兩次了,在這里不再贅述。在理論方面,就是記者問的,所謂美國勞倫斯伯克利國家實驗室提交了一篇論文,使用美國能源部的計算能力進行模擬,為這種材料的超導性找到了理論基礎。這個問題可能值得好好解讀一下,因為我自己就是做理論的,相對比較了解公眾容易在什么地方迷惑。

首先最基礎的,這篇文章壓根沒有“復現”這種材料具有超導,更不用說室溫超導。它說的是,計算顯示這種材料具有一些性質(平坦的能帶),根據經驗這些性質跟超導的關聯性比較高,所以這對超導是有利的。僅此而已。用前面下圍棋的比喻來說,就是我感覺你有可能達到五段,但這只是個可能,至于十段就更沒影子了。

然后,這篇文章并不能代表勞倫斯伯克利國家實驗室的官方態度,因為它只是這個實驗室的一位研究人員發了一篇預印本(不是正式論文)。比如說我做了一個計算,寫一篇文稿發到arXiv去,難道就能說我代表了中國科學技術大學的態度嗎?當然不能。

至于說用到美國能源部的算力,同樣是在外行聽起來好像是有權威機構背書,實際上不能說明任何問題,因為這只是租用人家的計算機時間而已。好比我在中國的超級計算機“神威太湖之光”上做個計算,就說神威太湖之光支持我的結果,這可以嗎?當然不可以,因為人家只是提供算力而已,算得對不對完全是使用者的事。

神威太湖之光。

最后,如果大家對計算化學理論感興趣,我可以稍微講一些專業的解讀。此文的標題叫做《銅取代的鉛磷酸鹽磷灰石中相關孤立平坦能帶的起源》(Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite),基本內容是說作者做了密度泛函理論(density functional theory)計算,發現這種材料在費米能級具有相關的孤立平坦能帶(correlated flat bands at the Fermi level),這是高溫超導材料的普遍信號(common signature)。

《銅取代的鉛磷酸鹽磷灰石中相關孤立平坦能帶的起源》

學過計算化學的人會明白,能帶是一種平均場近似的語言(平均場的意思是,假定對于一個電子而言,其他電子的影響可以描述成一個平均的場,而跟這些電子的瞬間位置無關,這樣就可以把各個電子的運動分開考慮)。跟平均場相對的叫做強關聯(即多個電子的運動互相關聯,不能把它們分開),強關聯會給計算增加極大的困難。超導是一種強關聯現象,而強關聯現象目前沒有精確的計算方法。

因此,用這種計算是不能可靠地預測超導的。最多只能說在這種近似理論下得到這種結果,是有利于出現超導的,但是不是真的超導,沒法算出來。

而且學過超導理論的人還知道,BCS理論有個麥克米蘭極限(McMillan limit),意思是常壓下的超導轉變溫度不能超過40 K。超過40 K就是高溫超導了,而高溫超導的理論直到現在都不清楚。所以即使通過平均場計算預測某個材料可能有超導,也只能在超導轉變溫度低于40 K的時候做比較定量的預測。如果超過40 K,仍然是一頭霧水。

所以,這篇理論文章的結果即使是正確的,意義也很有限。它離解釋室溫常壓超導的距離,就好比說某人“有可能會下圍棋”和說此人“已經是世界第一高手”之間的距離。這根本不叫“復現”。

大家明白了嗎?

(作者袁嵐峰,系中國科學院科學傳播研究中心副主任,中國科學技術大學科技傳播系副主任,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員,科技與戰略風云學會會長。原標題《中美俄科學家復現韓國的室溫超導?你可能誤解了“復現”|袁嵐峰》,本文首發“風云之聲”微信公眾號,澎湃科技獲作者授權轉載。)

    責任編輯:吳躍偉
    圖片編輯:胡夢埼
    澎湃新聞報料:021-962866
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