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非難と疑惑にさらされる室温超伝導の真実はどこにあるのか?

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ロチェスター大学の物理学者Ranga Dias氏は今月、科学者が何十年も追い求めてきた常温超伝導体を発見したと発表した

超伝導体は、電気が抵抗なく流れる物質であり、エネルギー効率の高い磁気浮上式鉄道の普及や、電力が失われることのない送電網やバッテリーなど、革新的な新技術を生み出す可能性があるとして注目されている。しかし、この材料は通常、絶対零度(摂氏-273度)に近い臨界温度以下で初めて超伝導を獲得する。過去10年の間に、極端な圧力をかけると氷点下数十度で超伝導を示す物質が発見されたが、常温超伝導体という目標は達成されていなかった。Dias教授らは、3月8日付の『Nature』誌に発表した論文で、窒素含有水素化ルテチウムという物質を発見し、高圧下で摂氏21度、華氏70度近い高温でも超伝導を示すことを報告した。この発見は、多くの物理学者にとって、本当ならノーベル賞に値すると言える。

しかし、物理学のコミュニティは、以前にもDias氏と共にここにいたことがある。2020年、Dias氏が発表した「摂氏15度(華氏59度)程度で超伝導になる物質」という同様の大胆な主張は、批判と研究不正の告発の嵐を引き起こし、最終的には昨年秋に論文が撤回されるに至った。Dias氏の最も激しい批判は、彼が研究上の不正を犯し、おそらく1度だけでなく、まだ完全に責任を問われていないと言う。そして、彼の最新論文は、彼の研究に関して提起された深刻な技術的疑問にはほとんど触れていないと主張している。むしろ、新たな疑問を投げかける可能性があるというのだ。

フロリダ大学の物理学者James Hamlin氏は、「室温超伝導体を発見するのは宝くじに当たったようなもので、それを何度も成し遂げたと主張しているのです。筋が通っていないとしか言い様がない」と、述べている。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の物理学教授で、Dias氏の研究を厳しく批判してきたJorge E. Hirsch氏は、この論争が、急成長中の物理学のサブフィールドに深い溝を作ったと表現している。「一部の人々がそれを信じているために、多くの損害が発生しています。学生やポスドク、そして人々は何を信じればいいのかわからない」

最初の超伝導体は、100年以上前にHeike Kamerlingh Onnes氏によって発見された。水銀を摂氏-269度以下に冷やすと、その性質が現れることを発見したのだ。それ以来、物理学者たちは、より高い臨界温度を持つ物質を求めてきた。1987年、J. Georg Bednorz氏とK. Alexander Müller氏は、臨界温度が-238℃の酸化銅セラミックスを発見し、ノーベル賞を受賞した。2015年、ドイツのマックス・プランク化学研究所のMikhail Eremets氏が率いるチームは、水素化物と呼ばれる物質をダイヤモンドアンビルセル(2つのダイヤモンドの間に微量の物質を挟み、地球のコアの半分程度の圧力まで押し潰す分子バイス)で圧縮すると、-70℃の温度で超伝導化できることを示した。

この発見をきっかけに、さらに高い臨界温度を持つ他の水素化物の発見が急がれるようになった。2020年、Dias氏は、炭素と硫黄を多く含む水素化物を発見し、標準的な室温の定義より5℃低い15℃で超伝導になることを『Nature』に報告したのである。この論文によって、Dias氏は、科学者に与えられることの少ない名声の階層に上り詰めた。2021 年に、彼はTime誌の「100 Next」に 指名された。このリストには、歌手のOlivia Rodrigo、バスケットボールのLuka Doncic、英国のリRishi Sunak首相(当時)らが名を連ねていた。

しかし、世間が新星と見なす中、Hirsch氏は一連の赤信号を見た。Hirsch氏は、2020年の『Nature』誌の論文について、「初日に見たのですが、すぐに何かが間違っている、多くのことが間違っていると言いました」と振り返る。

Hirsch氏は、自分の意見に対して激しく、そして物議をかもすことがある扇動者として知られている。科学者の仲間に対する考え方を根底から覆すような、研究の影響力を測る指標「h-index」を考案したことで知られる。(hはHirschのhだ)2006年には、米国がイランとの核戦争を計画していると考える15の理由のリストを発表した。

超伝導界では、彼は逆張り派とみなされている。水素化物超伝導を声高に批判し、彼自身の理論計算が、この物質が超伝導体として機能しないことを示唆していると主張し、水素化物で超伝導を主張する多くの実験論文はすべて、データの根本的な誤解に苦しんでいると主張する。例えば、Eremets氏の初期の水素化物実験の妥当性にも疑問を呈している。この実験は、その後、他の研究者によっても再現され、広く社会で疑われていない。

フロリダ大学の理論家であるPeter Hirschfeld氏は、Hirschの批評は時に行き過ぎることがあると言う。Hirsch氏が狼少年であると思うか尋ねられた、Hirshfeld氏は、「狼がそこにいることもあれば、いないこともあるという意味で」その例えを認めた。

Dias氏の2020年の論文に、Hirsch氏は狼の群れを見たのだと確信した。彼は、この論文が、注目される物理学の論文によくあるようなプレプリント(前刷り)がないことを不思議に思っていた。また、その論文のデータは、直感に反しているように思えた。

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物理学者のJorge Hirschは、水素化物超伝導体とDias氏の研究を断固として批判している。「学生やポスドク、そして人々は何を信じていいのかわからない」とHirsch氏はこの論争について語る。

ある重要なプロットは、新材料の温度が下がると電気抵抗がどのように変化するかを示したものだ:超伝導体が臨界温度以下になると、電気抵抗がゼロになり、超伝導状態への移行を示す。Dias氏らが発見した超伝導体では、この転移は通常、数℃の間に徐々に起こる。しかし、この物質を強い磁場に置くと、転移の幅がさらに広がる。

しかし、Hirsch氏は、Dias氏の実験の遷移領域があり得ないほど狭く、しかも磁場をかけても狭いままであることに気づいた。翌年には、カナダ・アルバータ大学のFrank Marsiglio教授との共著で、『Nature』誌にその疑念を発表した。さらにHirsch氏は、Dias氏らに対して実験の生データを公開するよう要求した。しかし、Dias博士のチームは、「特許がとれなくなる」と、1年以上もこの要求を拒否し続けた。

一方、この論文に対する疑念はさらに積み重なった。Eremets氏のチームを含む他の研究グループは、Dias氏の研究成果を再現することができなかったのだ。さらに、Dias氏の共著者の一人であるMathew Debessai氏は、不適切な実験データの操作で撤回された先行研究の共著者であることが判明した。(Dias氏はその前の研究には参加していない)。

2021年11月、Dias氏は譲歩し、グループのデータを公開した。この公開が議論を終わらせるはずだったなら、それは逆効果にしかならない。

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Diasの研究室で紹介されているダイヤモンドアンビルセルは、2015年からハイドライド系超伝導体の作成に使用されている。このセルは、2つのダイヤモンドの間に少量の物質を挟み込むことで、巨大な圧力をかける。(Credit: J. Adam Fenster / University of Rochester)

DIASの2020年の『Nature』の論文では、物質の電気抵抗に関係する帯磁率の温度依存性を示すプロットは、データにわずかなランダムノイズがあるだけで滑らかな曲線に見える。しかし、Hirsch氏は、このプロットを拡大すると、データの間に、ほとんど同じ高さの小さなジャンプが散在していることに気づいた。Hirsch氏と解析に加わったジュネーブ大学のDirk van der Marel氏は、まるで、超伝導体が臨界温度以下に冷却されたときに生じる帯磁率の低下を再現するために、もっと緩やかなカーブの部分を一定の刻みで手動で移動させたかのような印象を受けた。Hirsch氏とvan der Marel氏は、プレプリントサーバーarXivに掲載された論文で、データが操作されていることを示唆する詳細な分析を発表した。Hirschは12月にUndarkに、「これは明らかに改ざんです。疑う余地はない」と述べている。

「私たちは分析を行い、あのデータが測定器から得られたものではないことを証明しました。そのデータは、測定器から得られたものではないことが証明された」

Hirsch氏の非難は、科学会議や一般的なメディアに飛び火する言葉の戦争に火をつけた。一時は、Hirsch氏がarXivで発表した批評が、専門家らしくない表現であるとしてモデレーターによって削除され、Hirsch氏は同サイトへの投稿を一時的に禁止された。Science誌によると、Dias氏はHirsch氏を “troll”と呼んだという。(Dias氏は現在、引用ミスだと思うと言っている:「私たちが言おうとしているのは、科学について議論しよう、科学にとどめようということです」)。

Hirsch氏の批判は、科学的なものであり、個人的なものではないとしているが、彼が長年、超伝導に関する反対意見を持っているという事実によって、複雑になっている。Dias氏と彼の主要な共同研究者であるAshkan Salamat氏は、arXivに掲載された論文の中で、敵対する研究者の批判は、実験技術に関する「科学的理解の欠如に起因する」と述べている。彼らは、アーティファクトは、データを処理し、超伝導測定において信号の一部を不可避的に隠す背景ノイズを取り除くために使用した正当な方法の結果であると主張している。「この手順は、Hirschとvan der Marelによって理解されていないか、意図的に無視されている」と2人は書いている。

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ジュネーブ大学の物理学者Dirk van der Marelは、Hirschと共にDiasの研究を批判している。

しかし、Eremets氏のように水素化物が超伝導体であると確信している物理学者でさえも、バックグラウンドノイズを除去する何らかの方法で、なぜDias氏のNature論文に見られるパターンを生み出すのかは明らかではなく、Dias氏とその同僚は、なぜそうなるのかを十分に説明していない、と批判している。昨年9月、『Nature』誌の編集者は、「この論文のデータが処理され分析された方法に関して生じた疑問」を理由に、批判者側に立ってDias氏の論文を撤回した

Dias氏らの最新論文は、2020年の論文よりも高温で穏やかな圧力での超伝導を報告しており、袂を分かった物理学者の正当性が認められたと言えるかも知れない。しかし、『Nature』誌の査読プロセスを経たこの論文に対して、慎重な楽観論を述べる研究者がいる一方で、これまでの論争を踏まえ、Dias氏がより詳細な実験結果を発表し、他のグループによってこの論文が独立に再現されるまで、判断を保留する研究者もいる。

それまでは、この新しい研究に対する疑問が渦巻いていることだろう。Eremets氏によると、この新しい論文には、以前の論文と同様に、他のグループが研究を再現するために必要な「完全なレシピ」が記載されていないとのことだ。Hirsch氏は、このデータの有効性に引き続き懸念を抱いているが、もしこの発見が維持されれば、「ノーベル賞に値する記念碑的な発見となるだろう」と電子メールで付け加えている。

Dias氏が2020年のNature論文で研究不正を犯したとしても、それは彼にとって初めての軽率な行動ではなかったかもしれない、という声が物理学のコミュニティでささやかれている。2022年11月、Hirsch氏は、Dias氏の2013年の博士論文と、2007年に博士号を取得したフロリダ大学のHamlin教授の論文を比較するようにという匿名のタレコミを受けた。Compilatio というオンライン剽窃ツールを使って、2つの文書の間に15%の類似性があることを発見したと、van der Marel氏は述べている。(オンラインソフトCopyleaksを使って2つの文書を比較したところ、Dias氏の文書の2パーセントの箇所がHamlin氏の文書と全く同じで、2パーセントは細かい変更があり、2パーセントは言い換えされていた)

Rangaは私の論文を引用することなく、かなりの部分をコピーした」とHamlin氏は述べています。彼の計算によると、Rangaは「5ページから10ページほどの資料を、あちこちに散りばめて使っている。文の断片ではなく、段落ごとだ」。

Dias氏の他の行動も眉唾ものだ。デジタル科学誌『Quanta』は最近、YouTubeに投稿された2021年の講演で、Dias氏はスリランカ科学振興協会に対し、自身のスタートアップ企業「Unearthly Metals」のために2,000万ドルを調達したことを伝えたと報じた。動画には、OpenAIやSpotifyのCEOを含む投資家のリストが表示されていた。Quantaの記事が掲載された後、Dias氏のチームはこの主張を撤回し、発言は「願望」であり、資金は調達されておらず、名前は投資家候補に過ぎないとQuantaに伝えたとのことだ。YouTubeの動画はその後削除された。

Undarkとのインタビューで、Dias氏は、自分やチームのメンバーが研究不正を行ったことを明確に否定した。彼は、2020年の論文に対して指摘された特定の技術的な点については反論を避けたが、2023年の研究についての技術的な懸念については言及し、自分たちの研究を再現しようとする実験者たちと喜んで協力すると述べた。「証拠はある」と彼は言った。「その証拠を信じるか信じないかはあなた次第ですが、無視することはできません」Dias氏は、論文の盗用疑惑について、広報担当者を通じて送られた質問には回答しなかった。

ロチェスター大学は、2020年のネイチャー論文に関連する2件と撤回に関連する1件の計3件のDias氏の問い合わせを行い、関係者によると、3件とも科学的不正行為の証拠はないと結論づけたという。大学側は調査の詳細を明らかにせず、「撤回に関するNatureの説明は、科学的不正行為の懸念を生じさせるものではない 」とだけ言及した。

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Ranga Diasは、水素化物の特性を変化させ、室温超伝導体として報告されたものを作り出すために使用される実験器具を扱っている。Dias氏がより詳細な実験結果を発表し、他のグループによる再現が可能になるまで、彼の最近のNature論文に対する疑念は渦巻くことになりそうだ。(Credit: J. Adam Fenster / University of Rochester)

Dias氏は、少なくとも批判者の一人であるvan der Marel氏に一連の中止勧告の手紙を送り、法的措置に備えvan der Marel氏がすべての通信を保存することを要求している。

物理学者の中には、この論争が、室温超伝導という悲願を達成するための科学の最良の希望と考えられている水素化物超伝導体の分野全体に暗い影を落としていると言う者もいる。「高圧実験と、材料探索、超伝導、超伝導体探索の理論的アプローチの両方で、ちょっとしたルネッサンスが起きている」とHirschfeld氏は言う。「このような小さなルネッサンスが起こっているのですが、いずれも、コミュニティにおけるアイデアや懐疑心にまつわる非難によって、少し抑えられたり抑圧されたりしているのです。それは間違いなく、新素材を作ったり発見したりする努力に影響を及ぼしている」とも述べている。

しかし、Eremets氏にとって、水素化物超伝導体の実験に対する監視の目が厳しくなることは、長い目で見ればプラスになる可能性がある。Hirsch氏とは異なり、彼は、水素化物が超伝導体であるという証拠は依然として議論の余地がないと考えている。しかし、彼は、Dias氏の研究をめぐる論争を、結果を独立して検証することの重要性を思い起こさせる喜ばしいことだと考えている。Eremets氏は電子メールで、「私たちは、この論争を、道路上の段差ではなく、石や落ちた枝に例えることができます。人は道をきれいにするためにスピードを落としたり、車から離れたりするものです」と、述べている。


この記事は、Kit Chapman氏によって執筆され、Undarkに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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