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7月27日，微信公眾號(hào)“中科院物理所”發(fā)表文章《室溫超導(dǎo)又來了？這次該怎么吃瓜？》。

截圖自微信公眾號(hào)“中科院物理所”

以下為全文內(nèi)容：

前幾天，韓國一個(gè)研究組發(fā)表了一篇論文[1]，宣稱實(shí)現(xiàn)了臨界溫度超過400K（約127℃）常壓室溫超導(dǎo)。

這個(gè)消息過于炸裂，是真是假一時(shí)間眾說紛紜。其他研究組的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在路上，很快重復(fù)實(shí)驗(yàn)就將揭曉謎底。

超導(dǎo)領(lǐng)域最近的新聞是真不少，先有美國迪亞斯在三月份搞了個(gè)大新聞，后有韓國科學(xué)家直接合成出400K超導(dǎo)材料。中間還有我國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)。沒辦法，誰叫超導(dǎo)是物理頂流呢？

如此亂花迷眼的超導(dǎo)新聞，普通人卻只能對著論文里的圖表發(fā)愣。看著熱搜里大v分析得頭頭是道，動(dòng)輒收獲成千上萬個(gè)贊同，我們只能喊聲“太酷辣！”

這樣吃瓜實(shí)在太不優(yōu)雅了！今天，小編就作為超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的“行內(nèi)人”，跟大家聊聊如何發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)論文里的小細(xì)節(jié)，不學(xué)量子力學(xué)，也能像內(nèi)行一樣，優(yōu)雅吃下這個(gè)室溫超導(dǎo)的瓜。

超導(dǎo)論文里會(huì)寫啥

超導(dǎo)究竟是什么？這個(gè)問題許多科普文章已經(jīng)回答過了：它是物質(zhì)的一種特殊狀態(tài)；它有兩個(gè)最主要的指標(biāo)，分別是臨界溫度和臨界磁場。超導(dǎo)體電阻為零，可以無損耗地輸電；它有完全抗磁性，液氮超導(dǎo)磁懸浮就是很直觀的表現(xiàn)；它可以很方便地按照電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，用來做醫(yī)院里的核磁共振……但是，科普文章之外，科研人員究竟在研究些啥？他們寫出來的論文又會(huì)體現(xiàn)哪些成果呢？

盡管超導(dǎo)已經(jīng)是物理學(xué)一個(gè)很細(xì)的分支了，但它還能分成更細(xì)的研究方向：超導(dǎo)材料與物理性質(zhì)、超導(dǎo)機(jī)理、超導(dǎo)奇奇怪怪的實(shí)驗(yàn)、超導(dǎo)應(yīng)用……能上頭條新聞的主要是發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)材料并測定簡單物理性質(zhì)，主要是為了告訴大家“我合成了一個(gè)新的材料，它超導(dǎo)，測到的臨界溫度和臨界磁場分別是X和Y”。

超導(dǎo)體可以測量的物理性質(zhì)有很多，其中最不可或缺的就是電阻率隨溫度的變化和磁化率隨溫度的變化，對應(yīng)著超導(dǎo)的兩個(gè)基本性質(zhì)零電阻性和完全抗磁性。電阻我們在中學(xué)就已經(jīng)學(xué)過。當(dāng)超導(dǎo)材料從臨界溫度Tc以上降溫時(shí)，電阻（或者說電阻率）會(huì)在Tc突然降低并很快變成零。

一個(gè)典型的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變處電阻突變 [2]

磁化率反映的是材料對外界磁場的響應(yīng)，是一個(gè)無量綱量。當(dāng)外加一個(gè)磁場H（單位是Oe（1 Oe=10-4T）），材料就會(huì)顯示出一個(gè)磁矩M（單位emu）。磁化率χ=M/H。超導(dǎo)材料表征一般用體積磁化率χ=M/(H·V)，如果體積不好測量也會(huì)用質(zhì)量磁化率χ=M/(H·m)，其中體積單位是立方厘米，質(zhì)量單位是克。

由于完全抗磁性的存在，超導(dǎo)樣品磁化率隨溫度的變化與施加外場的時(shí)機(jī)關(guān)系很大。因此測試的時(shí)候一般會(huì)測兩條曲線，一條叫場冷曲線（field cooling,  FC），另一條叫零場冷曲線（zero field cooling, ZFC）。高亮的顏色就對應(yīng)著下面圖里相應(yīng)曲線的顏色。在臨界溫度Tc以上，ZFC和FC曲線基本重合；在Tc處，從高溫到低溫ZFC曲線會(huì)有一個(gè)明顯的下掉，而FC曲線基本是平的。因此Tc以下兩條曲線會(huì)有分叉。對于純的超導(dǎo)樣品，這個(gè)差值Δ χ=-1/4π，如果有雜質(zhì)，這個(gè)差值會(huì)變小，用實(shí)際差值與理論差值簡單做個(gè)除法就可以算出超導(dǎo)的體積或質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

一個(gè)典型的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變處磁化率分叉[2]

除此之外，一般的超導(dǎo)材料測試還會(huì)包括比熱，就是初中物理那個(gè)“水的比熱容為4.18J/(g·K)”的比熱容。僅有的一點(diǎn)區(qū)別是將質(zhì)量比熱改成了摩爾比熱，單位成了J/(mol·K)。測量比熱是因?yàn)椴牧蠌恼B(tài)降溫進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)會(huì)有一個(gè)相變，反映在比熱上就是Tc處的比熱躍變。具體來說，比熱隨著溫度降低而下降，在Tc處會(huì)向上跳一下，然后繼續(xù)下降。

一個(gè)典型的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變處比熱躍變[2]

所以，一般來說，發(fā)現(xiàn)新超導(dǎo)材料的論文會(huì)長這樣：開頭介紹研究背景，主體部分首先會(huì)介紹合成出來的材料結(jié)構(gòu)以及確定結(jié)構(gòu)的依據(jù)，比如電鏡、能譜和X射線衍射之類。材料合成方法不是必選項(xiàng)，多數(shù)作者會(huì)選擇寫出合成的條件，但更關(guān)心物理而不是材料的作者也時(shí)常會(huì)省略。

接下來論文會(huì)展示磁性，也就是磁化率隨溫度的變化，這里就可以看到超導(dǎo)的臨界溫度了。后面是電阻、比熱。由于外加磁場會(huì)影響電阻隨溫度的變化，所以一般會(huì)測很多條電阻-溫度曲線，在不同磁場下測量電阻隨溫度的變化。隨著磁場越加越大，超導(dǎo)逐漸被壓制，電阻的突變也越來越小。等電阻不再下掉的時(shí)候?qū)?yīng)的磁場就是臨界磁場了——當(dāng)然，有時(shí)候也會(huì)偷懶（bushi）少測幾條線，然后擬合外推。

到現(xiàn)在，必須展示的內(nèi)容基本就結(jié)束了。全世界的其他研究人員看到結(jié)構(gòu)，又看到磁化率、電阻和比熱，就會(huì)認(rèn)可這是一種新的超導(dǎo)材料，開展后續(xù)的驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)。有時(shí)候論文作者還會(huì)加入一些其他的性質(zhì)或者計(jì)算，開展更詳細(xì)的討論，這就豐儉由人了。

論文的彩蛋怎么看

雖然寫論文最令人頭疼的是寫文字，但是看論文吃瓜只需要看圖就行了。圖片加上圖注信息就足夠我們看出論文想要表達(dá)的主要內(nèi)容。好的文章，幾張圖一列，大家就會(huì)認(rèn)可、引用；壞的文章，就算圖片處理得再好也不會(huì)被認(rèn)可。粗看過去大家的圖片差不多都長一個(gè)樣子，但玄機(jī)總藏在細(xì)節(jié)里——

01 晶體結(jié)構(gòu)

目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料都是晶體，所以超導(dǎo)材料論文會(huì)有一幅圖展示用不同顏色小球代表的晶體結(jié)構(gòu)。滿足晶體平移對稱性的原子排列方式并不非常多，它們可以分為七類，叫做七個(gè)晶系。根據(jù)過往的經(jīng)驗(yàn)來看，四方晶系會(huì)比較容易出現(xiàn)超導(dǎo)。這種結(jié)構(gòu)的晶胞是一個(gè)長方體，底面是正方形。晶胞中間有很多層看上去非常雜亂的原子。有些層專門提供電子，叫電子庫層；有些層則是發(fā)生超導(dǎo)的地方，叫超導(dǎo)層。電子庫層和超導(dǎo)層在迄今最重要的兩個(gè)非常規(guī)超導(dǎo)體系——銅基和鐵基超導(dǎo)中都不可或缺。

一種四方晶系超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)[4]

02 磁化率

磁化率需要外加磁場才能測，但外加磁場會(huì)壓制超導(dǎo)。臨界磁場以下，磁場越大，超導(dǎo)含量越低，表現(xiàn)在磁化率上就是ZFC曲線在Tc處的下掉出現(xiàn)了展寬。小磁場下筆直掉下來的磁化率，到了大磁場下可能就要多降些溫度才能有同樣強(qiáng)度的信號(hào)。如果在幾個(gè)不同磁場下磁化率的轉(zhuǎn)變都同樣銳利，那么要不這個(gè)材料的臨界磁場遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測試施加的磁場，要么就是測試或數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)了異常。

03 電阻

在小編眼里，超導(dǎo)材料的電阻測試數(shù)據(jù)最有趣。超導(dǎo)體的名字“超級(jí)導(dǎo)電”其實(shí)就是指的零電阻性。所有宣稱自己發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)材料的論文都會(huì)放一張電阻-溫度曲線，形狀也都大同小異：隨著溫度不斷降低，電阻在Tc突然下掉直逼零點(diǎn)，然后很快變平。關(guān)鍵是，電阻真的到零了嗎？

電阻變成零意味著樣品中超導(dǎo)的部分連接成了一條通路，像一根導(dǎo)線一樣連接起了正極和負(fù)極。但是，許多制備得不好的樣品并沒有形成這樣的通路，它們的電阻依然會(huì)有一個(gè)明顯下掉，但不會(huì)到零。這時(shí)候數(shù)據(jù)的說服力就會(huì)大打折扣：你樣品電阻都沒到零，怎么能說是“超級(jí)導(dǎo)電”呢？一點(diǎn)都不超級(jí)嘛。所以，常壓超導(dǎo)體幾乎只有嚴(yán)格的零電阻數(shù)據(jù)才能被放進(jìn)論文里；而高壓下產(chǎn)生的超導(dǎo)，受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，要求會(huì)稍微放松些。即使沒有嚴(yán)格的零電阻，只要有電阻的突然下掉，大家也會(huì)認(rèn)可超導(dǎo)存在。

04 哪里去辨什么真共假？

測試的時(shí)候樣品當(dāng)然不是靠原力控制進(jìn)行測試的，總需要一些輔助結(jié)構(gòu)。測磁化率時(shí)需要樣品桿固定樣品；測電阻和比熱的時(shí)候需要樣品托、需要連接電極、需要用膠固定樣品。這些輔助結(jié)構(gòu)都會(huì)帶來測試的背底信號(hào)。在論文中通常會(huì)將背底信號(hào)扣除，來更直觀地表現(xiàn)樣品本身的性質(zhì)。

但是，扣背底是個(gè)技術(shù)活，技術(shù)不好的作者有可能會(huì)在扣背底的過程中引入新的誤差。這種障眼法破解起來很簡單——看原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)在論文附件中一并提供，去翻一翻網(wǎng)頁就可以了。現(xiàn)在很多作者會(huì)在預(yù)印本網(wǎng)站[3]傳一份初稿，來確認(rèn)自己先來后到的位置。這些預(yù)印本網(wǎng)站免費(fèi)公開，用家用電腦直接查就可以。

樣品不同的物理性質(zhì)也不是互相獨(dú)立的，我們大可以連起來看。如果一塊樣品的零電阻測得很完美，但磁化率卻雜亂無章，那肯定有貓膩。要是測到的性質(zhì)不全，那問題可能更大。

05 總結(jié)一下，如何吃瓜

到預(yù)印本平臺(tái)看第一手文獻(xiàn)不用看那么長的文字，看清楚圖就好。看幾個(gè)基本的性質(zhì)有沒有測全看不同磁場下磁化率的下掉有沒有展寬，順便估算一下超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)看電阻最低點(diǎn)有沒有到零看不同的性質(zhì)是否匹配找找原始數(shù)據(jù)

有了這些技巧，聰明的你要不要去看看室溫超導(dǎo)的原始論文，自己來判斷一下真假呢？

所以這次韓國的室溫超導(dǎo)——？確實(shí)不好判斷真假。從線上到線下，信任文章結(jié)果和質(zhì)疑超導(dǎo)真實(shí)性兩方的聲音都很大，雙方都列出了很多論據(jù)，而且互相不能說服。這些真真假假，留待眾多德高望重、浸淫超導(dǎo)多年的老師用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評判吧。小編的道行太淺，雖然心有傾向，但總看不穿眼前的迷霧。

不過，這次室溫超導(dǎo)的真假并不難驗(yàn)證。按韓國作者的說法，最快三天就能制備出一批樣品。全世界已經(jīng)有很多研究組在快馬加鞭了。大概下周，初步的驗(yàn)證結(jié)果就可以公布。如果是真的，超導(dǎo)領(lǐng)域?qū)?huì)天翻地覆；如果是假的，這個(gè)悶熱的夏季就又多了一件吃瓜的樂事。小編和大家一起搬好小板凳，拭目以待~

參考文獻(xiàn)：

[1]arXiv:2307.12037

[2]Inorg. Chem. 2022, 61, 27, 10267–10271

[3]https://arxiv.org/list/cond-mat.supr-con/recent

[4]郭琦，類鐵基 122 型LaM2As2(M=Fe, Ru, Ni, Pd)體系的超導(dǎo)探索研究