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臭鸡蛋硫化氢超导事件的十点回顾
图1 德国科学家发现硫化氢在超高压下超导
图2 超导材料的发现年代和临界温度,硫化氢203 K超导打破了多年来的记录
1. 2014年12月1日, 德国马克斯普朗克化学研究所的科学家Drozdov和Eremets宣布在硫化氢中发现 190 K 超导现象,但需要150万个大气压的超高压环境,由于测量极端困难,他们数据里只有关于零电阻效应,缺乏迈斯纳效应(完全抗磁性),尚未能彻底证实超导;
2. 由于突破 165 K 记录的高温超导甚至室温超导的爆料年年有,而且次次皆乌龙,科学家们早已对此麻木不理。硫化氢超导爆料出来,也是遍地质疑,几乎没人相信,绝大多数人怀疑他们数据测量出错了。如果实现室温 300 K 超导,必然是一个诺贝尔奖!即使如此,超导研究领域的许多科学家也不太想去重复实验,怕白白浪费了时间和精力;
3.Drozdov和Eremets等把论文贴到预印本网站arXiv上后,随即投稿到了Nature,编辑部对此也是充满怀疑,为了保证数据的准确性和可重复性,编辑部要求他们提供抗磁性的数据,同时派了专家调查组到他们实验室,监控每一个数据记录的产生,六个多月后的2015年6月25日,确认数据无误,并得到了一些更新的结果,获得了初步的抗磁性测量数据,才允许他们正式投稿Nature;
4.Nature审稿花了一个月,审稿人认真提了许多问题并得到作者的详细回复,论文最终于2015年7月22日接受,并于2015年8月17日发表,论文发表时他们已经实现了在220万个大气压下发现203 K的超导电性;
5.Drozdov和Eremets的同事Troya和俄罗斯科学院的Gavriliuk等人合作,利用高压核磁共振技术证明了硫化氢体系在153 万个大气压、140 K以下具有抗磁性,论文于2015年6月17日投稿到了Science,并于 2016年1月4日正式发表,审稿时间约半年;
6. 硫化氢在高压下超导本身并不稀奇,因为还是在常规超导BCS理论框架范围内,理论上早有预言金属氢可以实现高温超导,只是实验上直到实现了金属氢也没有超导(理论预言条件一改再改,已经超出实验物理学家能力范围了)。在2014年,中国吉林大学的马琰铭研究组首次预言H2S在160万个大气压有 80 K左右的超导电性,同在吉林大学的崔田研究组预言H2S-H2化合物在高压下可能实现191 - 204 K 的高温超导。有意思的是,德国人的实验结果发现通过不同的测量处理样品方法,可以得到一个 70 - 90 K的相对较低温度超导相,和一个 170 - 203 K的高温超导相,和两个理论工作不谋而合。所以德国人的发现完全是理论上“意料之中”,他们在同位素氘的硫化物的结果也表明这是一个常规超导体。其实,德国科学家在Nature论文摘要就明确提到,他们是受到马琰铭组的论文启发才做的实验(内幕消息说是马琰铭把计算结果告诉了Eremets,因为他是世界上少数几个能做到 150 万个大气压以上实验测量的人!)。实验idea很简单,但要做成功的挑战非常之大,其关键在于实现 200 万大气压以上的电测量和磁测量极其困难,据不完全统计世界上不超过五个实验室能做到;
7.Eremets在2015年多次国际学术会议上报道了他们的成果,起初大家反应都极其冷淡,会场提问很少。后来他多次提及日本及中国的实验室在重复他们的研究,并且在 150 万个大气压以内的数据都得到了重复,但由于相关实验结果仍然未能发表,绝大部分实验科学家仍然将信将疑。与此同时期,不少理论计算文章发表,预言了在如此极端条件下的硫化氢超导特性,包括中国吉林大学的崔田研究组在内的国内外团队通过计算表明H2S很可能在高压下分解成了H3S和S,实际超导相很可能是H3S。Drozdov也在不断尝试重复实验,并将后续结果及实验细节报道出来,不过他们研究组人手少,进展相对较慢;
8.为了确认H2S-H2体系的真正超导相,吉林大学的马琰铭研究组和美英法西班牙等国科学家合作,结合理论计算和实验测量,发现这个体系确实非常复杂。除了H2S之外,高压下可能会分解成H3S、H2S3、 H3S2、 HS2、 H4S3等等,其中H3S在110 万个大气压以上最为稳定。论文于2015年9月1日投稿,并与2016年1月11日发表在Physical Review B上。日本大阪大学科学家Einaga和Shimizu等人在Drozdov和Eremets的帮助下,于2015下半年在自己的实验室同样重复了实验研究工作,并进行了X射线衍射结构分析,确认了最可能的超导相是立方相的H3S,和吉林大学崔田研究组的报道结果完全一致。论文于2015年9月9日投稿,并与2016年5月9日发表在Nature Physics上,审稿时间约九个月;
9.日本大阪大学的Ishikawa和Shimizu等还从理论上预测之前德国人观测到另一个50 - 70 K的超导相也有可能是H5S2,不过压力稳定区间可能很小。论文于2015年12月20日投稿,并与2016年3月17日发表在Scientific Reports上;
10.2016年10月11日,中国吉林大学的崔田研究组宣布成功测量了150 万个大气压下硫化氢体系的迈斯纳效应,在多个压力点得到了清晰的抗磁性信号,完全重复验证了前面的研究结果,从而基本坐实了硫化氢在超高压下超导的新物理突破。总之,目前已经从理论和实验上基本搞清楚 200 K左右超导的是H3S相,而低温下硫化氢体系多个的超导相是什么尚未完全确认。虽然我们还尚待其他研究组更多地重复实验结果,人们已经对在其他氢化物中实现超高压下的室温超导充满了期待!
多余的话:部分国外科学家在报道硫化氢超导事件时,只字不提中国科学家在理论方面的奠基性工作,是对我们中国科学家的不尊重。但愿在该领域后续研究工作中,会有越来越多中国人的声音!
图3 德国科学家在arXiv的文章
图4 德国科学家在Nature的文章
图5 德国科学家在Science的文章
图6 中国科学家在JCP的文章
图7 中国科学家的理论预言文章之一
图8 中国科学家的理论预言文章之二
图9 中国科学家的理论和实验研究文章之三
图10 日本科学家的Nature Physics文章
图11 日本科学家的Scientific Reports文章
图12 中国科学家的arXiv实验研究文章之四
参考阅读
论文原文
H3S_Theory_T Cui_srep06968.pdf
H2S_Nature_Drozdov__Nature2015.pdf
H2S_Dissociation_YM Ma_PRB-2016.pdf
H2S_PRB_Theory_T Cui_PRB_91_180502.pdf
H2S_ScientificReports_Ishikawa_srep23160.pdf
H2S_Science_Troyan_Drozdov_1303.pdf
H2S_NaturePhysics_XRD_Einaga_nphys3760.pdf
H2S_arXiv_Drozdov_1412.0460.pdf
H2S_arXiv_Meissner_T Cui_1610.02630.pdf
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