ShoelessCai - 美学者室温超导论文调查报告公开或遭大学提前解雇

美学者室温超导论文调查报告公开或遭大学提前解雇

发表时间：2024.04.09 作者：徐路易来源：财新网阅读：200

三年室温超导项目收场，负责人学术生涯可能会因此结束。《自然》杂志新闻部近期披露了关于美国罗切斯特大学物理系助理教授兰加·迪亚斯涉嫌学术不端更多细节。这些细节来源于一份罗切斯特大学在法庭上披露的 124 页机密文件，文件详细描述了迪亚斯学术不端行为严重性。文件显示，2022 年起，罗切斯特大学对 Dias 团队先后进行了 4 次调查。最终依据美国自然基金会（NSF）要求进行第 4 次调查，Dias 被认为存在篡改数据、阻挠调查、抄袭等多项学术不端行为。罗切斯特大学表示，或将在合同期结束前解雇 Dias ，并取消其终身教授职位。

Dias 团队分别于 2020年（下称“2020年论文”）及 2023 年（下称“2023 年论文”）在知名期刊《自然》上以封面研究的形式发布了室温超导相关研究，均因数据完整性问题被质疑和撤搞，引起期刊、学校方面调查。

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以下为 ShoelessCai 原创。

室温超导基础及应用

超导体（英文名：superconductor），又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25Ω，可以认为电阻为零。超导体是指在特定温度以下，电阻为零的导体。【零电阻】和【完全抗磁性】是超导体的两个重要特性。

零电阻比较显然，那么，“完全抗磁性”是什么意思呢？

抗磁性，即在相反方向的磁场中不会被磁化，即合磁矩为零，表现为磁化率接近零。一般材料（例如水）磁化率接近于 0 ，但是超导材料的磁化率接近于 -1。可以理解为，相反磁场中，其材料内部单位体积的合磁矩，与外界场强之比，为 1：1。

磁化率的含义，单位体积内的磁化强度与外部磁场强度之间的比例关系，衡量材料的磁化程度。磁化，当外部磁场施加到磁性材料上时，磁矩会受到作用力，尝试重新排列并和外部磁场的方向对齐，这种重新排列的过程就是磁化。分为顺磁化和反磁化，主要依据是否与外部磁场方向一致，如果一致，则为“顺磁化”。

磁场强度 H 和磁感应强度 B 是常数倍的关系，这个常数通常是磁通量。B = F/qv，其中 F 是洛伦茨力、q 电荷量、v 粒子速度。分子磁矩（模拟轨道磁矩）计算公式，m = ISe，其中 I 电流，S 线圈面积（模拟分子所在的线圈横截面），e 是垂直于横截面的电荷传动方向，符合右手螺旋法则。针对材料而言，delta(V) 之内所有分子数量 n 个，于是，内部磁化强度 M = nm / delta(V)。内部磁化强度 M 和磁场强度 H 的比值，M/H 即为磁化率，这个数值应该是 0 ~ 1 之间，但是有正反两个方向，所以有 -1 这一说法。值得一提的是，大多数材料，例如水，磁化率（M/H）都是接近于 0 的，然而，超导材料具有完全抗磁性，其磁化率接近 100%。

目前，超导体已经在 MRI 核磁成像（其和 CT 一样可以拍摄人类大脑，考察人类大脑的细胞分布：）、粒子加速器和量子计算等领域得到了应用，但是他们必须被冷到极低的温度才能实现超导状态。实际应用中需要依赖昂贵的低温液体，如液氦，来维持低温环境。因此，超导应用的成本急剧增加，甚至维持低温的成本，都要远超材料本身的价值。

2020年10月14日，《Nature》在线刊登了美国罗彻斯特大学Ranga P. Dias等人在室温超导领域的重大突破：跨过了零度（273K）这一节点，一举实现288K（约15℃）温度下的C-S-H体系超导！而且，这也是首次包含三种元素而不是两种元素的有机超导体系的报道！这篇报导，用了不到 10 天就通过审核，也是文章的亮点。

发展

1908年，在液氦温度下研究物质的热力学和电学性质。1911年，温度冷却到4K（-269°C）以下时，水银的电阻会变为 0 Ω。首次发现超导现象，科学家 Onnes 获得 1913 年的诺贝尔物理学奖。

1957年，BCS 理论（Bardeen-Cooper-Schrieffer 三位科学家的名字），即具有相反自旋和动量的电子对，互相产生引力，形成 Cooper Pair。BCS 理论给出这样的结论，Cooper Pair 是在具有吸引相互作用的电子系统的量子多体状态下产生的，这是一种束缚电子对的状态，形成于金属内部。Cooper Pair 束缚的都是电子，最长距离可达几百纳米，称为长程配对。有些电子会和晶格振动声子交换能量，产生引力，但不是全部。晶格振动是晶体原子在格点附近的热振动，晶格振动的能量量子即是声子，属于无机固体材料的基本性质。晶格振动取决于材料的，部分材料电子对即可形成 Cooper Pair。简言之，我们可以认为 Cooper Pair 是两个特殊电子组成的，其中一个电子可以被换成晶格振动声子（理论上相互产生引力即可），ShoelessCai 评注。言归正传，这个 Cooper Pair 可以在晶格中无阻碍传输，不会产生电阻，从而实现超导。临界温度，可以保证晶格振动不会对 Cooper Pair 造成破坏。

美国科学家麦克米兰基于BCS理论计算，认为超导临界温度不太可能超过 39K（约-234℃），39K 这个温度也被称为“麦克米兰极限”。这个极限温度一度被主流学界所接受。

1986年，转变温度（或者“极限温度”）为 36K 的 La-Ba-Cu-O 超导体。这类超导体属于新的合成陶瓷材料，拓宽了超导材料的研究范围，对新的超导材料的研究具有极大的指导作用，同时也揭开了高温超导发展的序幕。Bednorz 和 Muller 获得1987年诺贝尔奖物理学奖。

ShoelessCai 评注，至此为止，人们在研究部分材料电阻变为零的“临界温度”，理论上来说，这个温度越高越好，越高越接近应用。

1987年，发现材料钇钡铜氧（Ba-Y-Cu-O），临界温度为 93K（-180°C）的超导转变，实现高温超导体领域的重大突破。赵忠贤院士荣获国家最高科学技术奖。

2008年，以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠、靳常青、丁洪、任治安、陈根富等人为代表的中国研究团队，不断刷新中国铁基超导“奇迹”。

2014年，吉林大学的马琰铭和崔田团队：HS 在 160GPa 下会变身高温超导体，临界温度为 80K。HS 与 H 复合成的 H3S 结构在 200GPa 下超导，临界温度在 191K-204K 之间。

2015年，德国马普化学研究所的 A. P. Drozdov、M. I. Eremets等人发现，压缩 HS 到接近 200万倍大气压，可实现 203K（约-70℃）温度下超导。

2019年，A. P. Drozdov、M. I. Eremets等人再次在《Nature》发文报道，在250K（约-23℃）的超导临界温度下，氢化镧（LaH10）会在170 GPa高压下变成超导体。

截至 2019 年，我们可以认为，室内温度在零下 23 摄氏度的时候，就能制造超导材料，即电阻为零的材料。