研究背景
近日，Gregory S. Boebinger教授（美国佛罗里达州立大学）和Joerg Schmalian教授（德国卡尔斯鲁厄理工学院）联合发表在《Nature Reviews Physics》上的评论文章《Hydride superconductivity is here to stay》，针对近年来高压氢化物超导性研究中的争议进行了深入分析。尽管该领域在公众和学术界引起了广泛关注，但由于科学不端行为的曝光以及部分数据的争议，氢化物超导性是否真实存在一直备受质疑。文章中，作者通过严谨地审视六篇关键论文，详细讨论了氢化物超导性现象的实验数据，特别是电阻、磁化率等经典超导性检测手段的结果。基于这些分析，作者得出结论：氢化物超导性现象是可信的，且具有开创性和前瞻性，预计将推动超导研究的新进展。文章呼吁科研界继续支持这一重要领域，并鼓励年轻科学家加入这一富有挑战性的研究领域。
主要内容
近年来，高压氢化物超导性成为了现代超导性研究的前沿领域之一。过去几年，尽管这一研究引起了广泛关注，但也伴随着大量的负面声音。科学欺诈案件已被揭露，并且关于某些论文数据的具体问题仍在争论之中。在所有这些喧嚣中，人们可能忽视了一个大问题：即该领域是否站在坚实的基础上？也就是说，高压氢化物是否真的具备超导性？在此，研究者重新审视了这一核心问题。研究者挑选并批判性地审查了六篇关键论文。研究者团队中的每一位成员都在超导性研究方面有着大量的工作经验，因此研究者希望研究者的结论能够得到一定的认可。为了保证对科学事实的公正分析，研究者特别选择了从未直接参与氢化物超导性研究的作者，以确保对实验数据的评估尽可能客观公正。研究者的结论是：氢化物超导性现象的真实性极为可能。大多数人认为，氢化物超导性研究的突破性论文是2015年由美因茨的马克斯·普朗克研究所团队发表的。这篇论文描述了将H₂S压缩到超过大气压一百万倍的极端条件下，观察到约200K的超导转变，并认为这是H₃S的形成所致。这项著名的工作随后被一些实验所跟进，这些实验通过压缩和加热氢和金属原子的混合物，直接在高压环境下发生化学反应形成化合物，并随后对其进行冷却以检查是否出现超导性。 为了评估实验数据，研究者限制于两种经典的超导性探测手段——电阻和磁化率，因为超导材料对这些探测手段的响应已经非常明确。然而，这并不意味着研究者忽视了正在开发的新型测量技术，尤其是那些针对氢化物样品环境的技术。进行氢化物实验的挑战不可小觑。大多数参与实验的团队都很公开地承认，在此类实验中产生的高压物质具有化学不均匀性，样品中存在的相通常很难准确识别。这并不令人惊讶：在这种环境下，标准的固态化学技术很难使用。在分析物理测量数据时，研究者必须考虑到目前不可避免的样品不均匀性。电阻数据中，某些过渡可能是由于在压缩材料中建立了脆弱的贯穿路径，而其他过渡则可能不完全，因为样品中只有一部分区域是超导的。在磁性测量中，样品环境还面临更多挑战。即使使用专门为此目的设计的最小化高压样品池，其质量大约是潜在超导体的100百万倍，因此需要极其小心地将背景信号降到可以观察超导贡献的水平。研究者首先考察了氢化物超导性的关键电阻证据。许多实验使用四端测量法进行，理想情况下，如果是均匀的超导体，电阻应降到仪器噪声水平。在一些案例中，例如在参考文献1、2、3中，电阻的下降现象确实出现，这可能是因为在压缩的材料中形成了贯穿路径，而非样品本身是均匀的。而在另一些案例中，例如参考文献4、5中，虽然电阻没有完全归零，但从实际空间成像中可以看出，完全贯穿路径的不可能性。 单独来看，这类电阻证据不足以支持超导性存在的主张。然而，文献中还有许多报告显示，超导转变会受到外加磁场的抑制。研究者在图1中展示了两个例子。在a和b中，样品被加压至155GPa，约在200K时出现转变。a中展示了电阻在不同固定温度下的磁场依赖性（T>145K）和脉冲场（T<145K）下的测量结果，数据噪声较高是正常的；b中展示了在不同样品上进行的电阻转变与温度的关系。a和b图的c部分展示了两个实验（分别来自参考文献4和5）中提取的上临界场的结果，二者完全一致。d和e部分则展示了在155GPa和140GPa的压强下所测得的磁化率回线数据。图1中的数据有几个值得注意的方面。首先，图1a中的数据是在美国国家高磁场实验室和洛斯阿拉莫斯实验室获得的，由与美因茨团队无关的研究人员进行。其次，图1b中研究的样品是由布里斯托大学的完全不同的团队使用不同的合成方法制备的。图中显示的H₃S的临界温度和上临界场与美因茨实验、洛斯阿拉莫斯实验和布里斯托实验的结果高度一致。这些不同团队之间结果的可重复性是任何新现象获得可信度的一个重要标志。
总结展望
本文的目标既不是回顾整个氢化物超导性领域，也不是讨论近期在arXiv和其他预印本服务器以及大众媒体上对H₃S工作提出的详细问题。研究者关注的是评估氢化物超导性是否真实存在这一更广泛的科学问题。基于研究者展示和讨论的数据，研究者专业判断认为氢化物超导性现象的真实性极为可能。它既令人兴奋又具有开创性，这使得相关数据的公开与合理的科学质疑显得尤为重要。研究者认为，最有意义的质疑形式应该是通过实验来确认或否定已有的实验结果，同时推动新的化合物和测量技术的发展，以推动这一领域的进步。研究者对资助机构的建议是，继续支持优秀的提案，推动氢化物超导性研究；对年轻科学家的建议是，如果这是你感兴趣的科学领域，可以带着好奇心和热情投身其中；最后，研究者对这一领域的先驱者表示祝贺和感谢，感谢他们的重要工作。Boebinger, G.S., Chubukov, A.V., Fisher, I.R. et al. Hydride superconductivity is here to stay. Nat Rev Phys (2024). https://doi.org/10.1038/s42254-024-00794-1
