來源：知識分子

2020年10月14日，Nature發表的一篇首次實現 “室溫超導” 的封面論文引發轟動。2022年9月26日，在所有論文作者都不同意撤稿的情況下，Nature編輯部撤掉了這篇論文。

過去兩年，超導研究者、中國科學院物理研究所副研究員羅會仟對此事件保持高度關注。論文剛發表時，他曾向《知識分子》表示，此次實驗的數據 “有點出奇的好”，“不僅有電阻數據、磁化數據、Raman光譜數據，這麼高壓力下能做的測量幾乎都做了”。

2022年9月，羅會仟對這一撤稿事件做了詳細回顧，詳解論文實驗數據的不透明和物理學者的再分析和論戰如何導致了論文的撤稿。

下附羅會仟原文：

撰文 | 羅會仟（中國科學院物理研究所）

2022年9月26日，Nature 撤稿兩年前刊發的論文 “碳氫硫化物中室溫超導電性”。至此，在科研界鬧的沸沸揚揚的 “室溫超導” 事件告一段落。

值得注意的是，同一天，Science深度報道了此次撤稿事件的前因後果，由資深編輯 Eric Hand 執筆，採訪了該事件的幾位當事人。報道題目直接引用了質疑聲音代表人物 Van der Marel 的一句原話：“Something is seriously wrong．”

鑑於此次撤稿事件對科學界的巨大影響，本文以Science的報道內容及已發表的相關論文爲依據，介紹一下該事件的來龍去脈。有興趣的讀者，歡迎詳細閱讀文末的參考文獻。

超導現象最早於1911年由荷蘭萊頓大學的H.K． Onnes研究團隊發現——金屬汞在4.2 K以下電阻突然消失爲零，Onnes將其命名爲 “超導”，寓意“超級導電”（圖1左）。隨後的百餘年時間裏，各類超導材料不斷被發現，目前已知的超導材料有成千上萬種，覆蓋單質金屬、合金、金屬間化合物、過渡金屬硫族化物/磷族化物甚至有機化合物等 [2]。

嚴格來說，判斷一個材料是否屬於超導體，必須有兩個獨立的電磁特性判據：1． 是否具有絕對零電阻；2． 是否具有完全抗磁性。後者由德國科學家Meissner等發現，又稱爲Meissner效應，即磁場下超導體有完全抗磁響應，其內部磁感應強度B爲零，對應的磁化率χ爲-1。

超導材料對外界磁場有不同響應，可以簡單分爲兩類。絕大部分超導體屬於第二類，它們在某些磁場-溫度區間（稱之爲“混合態”）體現出“部分抗磁性”（即磁化率不到-1），僅在很低溫度且很弱磁場下才會有“完全抗磁性”，所以在很多情況下驗證超導電性的存在，並不一定要求χ=-1（儘管此時才能被稱爲“超導態”），但必須獨立測量到足夠強的抗磁信號（χ爲負值）。對於這類超導體而言，即使在部分抗磁的混合態下，其零電阻效應也能夠保持住，直到磁場足夠強達到上臨界場時，纔會徹底被破壞恢復到有電阻的“正常態”（圖1右），所以是否具有完全抗磁狀態，對超導體在零電阻狀態下的應用影響不大。

實驗上，零電阻的測量相對容易實現，而抗磁性的測量則相對困難一些，比如高壓環境下有很多的附屬裝置帶來很大的背景信號，薄膜或納米顆粒等材料的總量很少導致信號太弱等，部分有機或含水等抗磁物質的材料會帶來假信號等，因此大部分超導現象的發現都是以零電阻效應爲主，抗磁效應爲輔[3]。一些超導研究論文爲了獲得首發權，初始時僅有零電阻證據，而在後續補發抗磁信號證據，也是常見的。

超導材料因其絕對零電阻和完美的抗磁特性等特殊物理性質，幾乎在所有電和磁相關的領域都有巨大的應用價值。超導本質上是微觀電子的配對相干凝聚，是一種宏觀量子現象，在量子器件方面也有許多重要用途。超導物理的研究讓人們認識到物質中複雜相互作用出現的層展現象，可能有的超越了傳統理論框架，對基礎物理的發展有重要推動作用。正是如此，超導在物理學前沿一直受到廣泛關注，而尋找更加好用的超導材料，擺脫超導應用的低溫環境限制，是科學家一直以來的夢想。能否實現室溫超導材料，也是領域內最大的挑戰之一。

目前，常壓下的超導臨界溫度記錄，是1993年發現的Hg-Ba-Ca-Cu-O體系， 超導臨界溫度Tc爲134 K，該材料在高壓下的Tc可提升到165 K（圖2）[4]。人們還嘗試把元素週期表的單質幾乎都壓了一遍，普遍發現Tc可進一步提升，比如單質Ca的Tc在高壓下可以達到29K，遠超常壓下的單質Tc記錄（即Nb的Tc=9 K）[5]。因此高壓是提高超導溫度的重要途徑，也是探索室溫超導的最佳方案之一。需要特別指出的是，於物理學家而言，室溫是有明確定義的，即300K，約相當於27℃。實際生活中比較舒適的 “室溫” 大致是15℃-25℃，也就是北方冬天供暖標準，和夏天空調建議溫度。

理論上預言，金屬氫就極可能是室溫超導體，但是前提是要在百萬級大氣壓（100 GPa以上）的極端高壓下合成。如此高的壓力，需要藉助世界上最硬的物質——金剛石來實現，在一對磨平端面的金剛石形成 “對頂砧” 再使勁加壓。由於氫本身十分活潑、易燃易爆，而且在高壓下會發生 “氫脆” 現象——因爲氫元素滲入金剛石而導致硬度突然降低碎裂。

金屬氫的實驗，從一開始就是巨大的挑戰，也譽爲是高壓領域的 “聖盃”，歷經80餘年都未能拿下 [7]。2016年，英國愛丁堡大學E． Gregoryanz等人在325 GPa獲得了氫的一種 “新固態”，認爲可能是金屬氫，論文發表在Nature [8]。2017年，美國哈佛大學的 R． P． Dias 和 I． F． Silvera 宣佈在495 GPa下實現了金屬氫，他們觀測氫在壓力不斷增加過程中，從透明氫分子固體，到黑色不透明的半導體氫，最終到具有金屬反光的金屬氫，論文發表在 Science [9]。

正當業界一片歡呼，期待Dias和Silvera進一步測量金屬氫是否有室溫超導電性時，他們卻在實驗過程不小心打碎了金剛石，後面也沒再重複實驗。Dias不再重複實驗的原因也很簡單，當時他博後期滿，正忙着找工作，而且論文已經被Science接收了。隨之而來的，是一片質疑聲，近500 GPa的高壓技術雖然很難，但國際上仍有幾個研究組是可以做到的，但他們卻沒有重複出來金屬氫的實驗結果。

更令人難以置信的是，這篇論文的關鍵證據之一——金剛石對頂砧裏的金屬氫照片，是用iPhone攝像頭拍的（圖3），顯得極其不專業。據知情人士透露，在圈內科學家反覆追問下，Dias承認 “金屬氫” 的實驗成功率並不高，可能也就那麼一兩次獲得了“有效”的實驗數據。科學家們有理由懷疑最終得到的 “金屬反射” 信號可能來自高壓腔體內的金屬墊片，而不是金屬氫本身，作者後來也發文更正了光電導的數據（圖4）。金屬氫是否真的能實現室溫超導，繼續是一個未解謎團。

Dias的這篇令人充滿疑問的論文，也爲後來的室溫超導撤稿事件埋下一個伏筆。

既然在金屬氫中實現室溫超導非常困難，是否可以另尋思路？

其實科學家早就意識到了，一些氫的化合物有可能不需要那麼高的壓力，就能實現金屬化甚至很高溫度的超導。因爲其內部由於元素間化學鍵的存在，會產生足夠大的 “化學壓力”，如果化學壓力剛好與外部壓力是同等正向效應，就不再需要那麼高的外部壓力，實驗也相對容易成功。

不過，新的困難也出現了，那就是在高溫高壓下，氫幾乎可以和絕大部分元素形成化合物，而且結構和物性都非常複雜難以預測 [10，11]。在實驗開始之前，先要依賴於理論篩選出合適的氫化物，並大致知道需要多大的壓力才能超導，最好能預測出該化合物的Tc，否則靠 “瞎貓碰見死耗子” 的模式去探索的話，高昂的實驗成本、極具挑戰的實驗技術和大量的時間精力消耗都讓科學家難以承受。

幸運的是，對於二元氫化物，一些數值計算軟件就能給出較爲準確的結構預測，進而計算出材料的基本物性。中國的吉林大學物理學院開發的CALYPSO結構搜索軟件就是重要代表[12]，中國科學家據此預言出一系列的金屬氫化物超導體，並給出可能的Tc，其中H-S化合物可能實現80 K甚至204 K的超導電性 [13，14]。

果不其然， 在2014年底德國馬普化學研究所的 A． P． Drozdov 和 M． I． Eremets 就宣佈在硫氫化物中發現190 K 超導零電阻現象，對應壓力爲150 GPa。在歷經8個多月的不斷質疑、調查、重複實驗、積累數據之後，論文終於在2015年8月17日發表於Nature，此時他們已經獲的了220 GPa下203 K的Tc歷史新紀錄，並且提供了抗磁信號的測量結果（圖5）[15]。Eremets本人也經受住了業界的廣泛質疑和討論，相關的實驗結果被中國、美國和日本等國科學家重複驗證，H-S化合物的組分和結構也被確定，後續也不斷有相關的論文發表。

此後，高壓氫化物的超導研究變的如火如荼，人們陸續在Th、Pr、Nd、Y、La、Ce、Ba、Sn、Ca等元素與氫的化合物中找到了超導電性，Tc從幾K到上百K都有（圖6）[16]。其中中國科學家發現CaH6在160~180 GPa下達到了Tc=210 K[17，18]，美國/德國科學家發現LaH10在188 GPa下達到了Tc=260 K [19，20]。

理論計算對發現這些材料的高壓超導電性起到了非常關鍵的指導作用。實驗技術上的挑戰來自於這些化合物需要在高溫高壓下合成並進一步加到極端高壓再測量，用一束極小的激光打入金剛石對頂砧內部充分加熱，一不小心就有爆炸的危險。在如此極端的條件下，面對金剛石內部那極少的一丁點兒樣品，如何測定材料的化學結構，還要準確測量到電、磁、光、熱等方面的物理性質，只能是難上加難。

2020年10月14日，Nature 發表了題爲 “碳氫硫化物中室溫超導電性” 的論文，第一作者爲 E． Snider，通訊作者爲 R． P． Dias，作者裏還有著名的高壓研究專家 A． Salamat[21]。是的，通訊作者就是2017年在Science發文聲稱實現金屬氫的Dias，此時已在美國羅切斯特大學任助理教授。論文的關鍵結果是C-S-H三元體系在267 GPa左右可以實現288 K左右的超導電性，對應溫度爲15℃。超導材料的Tc，被首次突破到0℃以上，儘管距離室溫300 K還有一步之遙，論文的題目已經大大方方用了 “室溫超導” 字樣。

從論文發表的信息來看，這篇文章從7月21日投稿，到9月8日接收，前後大約50天，在 Nature 的漫長審稿週期中算是非常快的。然而，和Dias發表的金屬氫那篇論文一樣，這篇文章從發表當天開始，就遭到了科學界廣泛的質疑。實驗物理學家普遍認爲 “論文數據過於漂亮了，超導零電阻的轉變非常陡峭，相關結果存在一系列的問題”，理論物理學家則覺得 “數據結果有悖基本物理”（圖7）。

質疑聲音最大的，是加州大學聖地亞哥分校的理論物理學家 Jorge Hirsch，對了，就是他發明的H-index，指一名科研人員至多有h篇論文分別被引用了至少h次，常常被用來做科研人員影響力的排名，但他自己都反對用這個指數來評價論文。

對於這篇論文，Hirsch指出，“問題很嚴重，不能聽之任之，更不能用不同科學觀點的藉口來掩蓋”。隨後，以Hirsch爲代表的一衆理論家開啓了“拍磚模式”，主戰場設在預印本平臺arXiv，因爲文章內容和格式不需要經過嚴格同行評議就能快速發表。批評意見起初懷疑論文中磁性測量的結果不符合一些基本物理定理，後來發展到Hirsch直接指出關於抗磁磁化率的結果可能是 “人爲捏造” 的，認爲作者可能虛構了一條沒經過實驗檢驗的 “背景信號” 用來扣除所謂的數據背景，得到了抗磁信號作爲超導電性的關鍵證據 [22-26]。

確實，極端高壓下的抗磁信號測量，相當於大白天陽光下去尋找天上的某一顆暗淡的星星一樣困難。所以，Dias認爲在高壓領域，抗磁信號的得出，就是要扣除高壓裝置帶來的極強背景信號，才能得到，他們這麼做是業界“常規操作”。問題的關鍵在於，他們並沒有在論文或補充材料中明確給出磁性測量的原始數據以及背景信號的測量結果。數據處理過程的不公開透明爲這篇文章的結論蒙上了陰影。在Hirsch之後，作爲回應，Dias等人在2021在arXiv張貼論文給出了磁化率的原始數據以及背景扣除方法（圖8）[27]。

康奈爾大學的 B． Ramshaw 認爲事實結果被越描越黑。但Hirsch的懷疑也並非空穴來風。實際上2009年在Physical Review Letters 發表的一篇關於Eu高壓超導的論文，在Hirsch的敏銳調查下就發現存在類似的磁化率數據處理不當問題，並於2021年12月23日經作者同意撤稿（圖9）[28，29]。那篇文章的第一作者M． Debessai，正是負責 “C-S-H室溫超導” 這篇Nature論文中磁測量的作者！

幾個回合下來，這架吵的越來越激烈，Hirsch的論文題目裏甚至出現了 “scientific fraud” 這種令科學家難以接受的詞彙，連一貫寬鬆的arXiv預印本平臺都看不下去了，在2022年2月一度禁止Hirsch登錄該平臺貼論文（圖10）。

Hirsch的質疑文章有幾篇正式發表在學術期刊上，其中最爲深刻的就是和瑞士日內瓦大學的 Dirk van der Marel 在2022年9月15日發表的一篇長文 [30-32]，他們對Dias等人所謂的原始數據進行了非常詳細的分析，堅定地認爲這些數據存在明顯的 “人造痕跡”：所謂的 “超導信號” 來自於一個分段函數加連續函數的疊加，所謂的“背景信號”存在人爲構造的非隨機噪音，而所謂 “原始數據” 就是兩者相加的結果（圖8）！他們用了 “pathological”（不可理喻的）一詞來形容Dias論文中的磁化數據結果。正是這篇論文，最終導致了Nature的編輯在2022年9月26日做出了撤稿的決定，即便論文的9位作者都不同意撤稿——此前從2021年8月30日起，Nature編輯部就已和作者多次溝通，顯然作者團隊並沒有做出令人信服的回應（圖11）。

Dias等人顯然對撤稿的決定非常不服氣，堅決認爲他們的實驗結果經受得住理論和實驗的考驗。論文的另一位作者，內華達大學的 A． Salamat 也指出撤稿的關鍵因素還是磁化率的數據問題，而零電阻的數據並沒有問題，而後者恰恰是高壓領域用來作爲超導的主要證據，他對編輯部做出撤稿決定表示困惑和失望。他說，研究團隊歡迎全世界的科學家到實驗室去參觀討論，並且認爲Hirsch等人作爲理論家的指責帶有偏見，因爲部分實驗結果已經在7月被重複出來了，並給出了一些可能的材料結構[33]【注：該論文部分實驗結果的作者與此前Nature論文相同】。

從實驗的角度，Eremets等人對該項研究也表達了謹慎的態度，他覺得論文結果還有對的可能性，雖然他們在按照Dias團隊提供的實驗記錄來重複結果的時候，試了6次，失敗了6次。Eremets覺得對方還是“有所保留”，比如沒有明確告知他們使用的碳單質是哪種（碳有許許多多同素異形體）。也有業內專家認爲Dias等人一開始就是在 “豪賭”，畢竟此前在H-S體系已發現200 K以上的超導，那麼在C-S-H體系發現更高溫度的超導可能並不奇怪，實現起來可能就是技術和時間問題而已。由於論文並沒有明確給出材料的結構和化學式，對於三元化合物，數值計算來預測其高壓下穩定結構要困難得多。目前爲止，科學家仍未找到從理論上可以明確預測出如此高Tc的C-S-H具體材料結構 [34]。

Dias計劃把磁性測量的原始數據以及背景扣除等信息添加進去，重新投稿這篇論文。他和Salamat甚至成立了一家公司叫做 “Unearthly Materials”，試圖探索可商業化應用的室溫超導材料（圖12）。在今年夏天的學術會議上，Dias聲稱他又發現了一種新的氫化物超導體，是2020年關於C-S-H體系的延伸。Salamat自信滿滿地宣稱他們正在開創 “高溫超導的新紀元”。不過這回Eremets不太相信了：“怎麼可能？怎麼啥東西都能被他點石成金呢？”

這件事情也並未因撤稿而徹底結束。鑑於 “室溫超導” 的發現對科學界造成了巨大影響，也被評爲 “2020年度十大進展” 等，還獲得了一系列的獎項（圖13），Hirsch對撤稿的決定並不是完全滿意。他甚至到Dias的工作單位、資助機構乃至美國的科研主管部門都統統 “告狀” 了一遍，Dias最後被迫下了 “休戰書”，兩人都同意不在arxiv等平臺爭論了。

而曾經也被質疑但經受住了考驗的Eremets，並沒有因這次撤稿事件而對高壓氫化物超導的研究放棄信心，他認爲只要 “大膽假設加小心求證”，經受過同行的廣泛質疑和時間的考驗，真相遲早會浮出水面（圖14）[35]。

的確，這次事件在超導領域泛起的漣漪，何時會迴歸平靜尚未可知，但人們對室溫超導的孜孜不倦探索不會因此停滯。我們期待，常壓下的室溫超導能夠實現，超導的大規模應用也終將到來！（圖15）

參考文獻：

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