2025-11-20 00:30:10
【导语】超导若能广泛应用，将革新诸多领域，但多数超导材料需极低温条件，限制了其发展。近日，中国科学技术大学陈仙辉团队在镍基材料La5Ni3O11研究中取得突破，通过高压使其在零下219摄氏度实现超导，为理解超导、寻找实用材料打开新窗口，也为实现常(cháng)温(wēn)常(cháng)压(yā)超(chāo)导(dǎo)带(dài)来(lái)新(xīn)思(sī)路。
出(chū)品(pǐn)：
作(zuò)者(zhě)：李(li)瑞(ruì)（半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)工(gōng)程(chéng)师(shī)）
监(jiān)制(zhì)：中(zhōng)国(guó)科(kē)普(pǔ)博(bó)览(lǎn)
想(xiǎng)象(xiàng)一(yī)下(xià)，如(rú)果(guǒ)电(diàn)线(xiàn)能(néng)够毫无损耗地传输电能，磁悬浮列车能够更轻松地悬浮起来，量子计算机能够更稳定地运行——这些美好愿景的背后，其实都离不开一种神奇的物理现象：超导。简单来说，超导就是某些材料在特定条件下，电阻完全消失，电流可以持久流动而不损失能量。然而，大多数超导材料只有在极低温度下才能工作，这大大限制了它们的应用。
最近，中国科学技术大学陈仙辉研究团队传来好消息：他们在一种特殊的镍基材料中，通过施加高压，成功让它在零下219摄氏度（54K）时实现了超导。这个温度虽然听起来依然很低，但在超导研究领域已经算是相当高的“高温”了。更重要的是，这项发现为我们理解超导现象、寻找更实用的超导材料打开了新的窗口。
像搭积木一样的晶体——材料的特殊“建筑结构”
这次研究的主角是一种化学式为La5Ni3O11的(de)材(cái)料(liào)。如(rú)果(guǒ)把(bǎ)它(tā)放(fàng)大(dà)到(dào)肉(ròu)眼(yǎn)可(kě)见(jiàn)的(de)尺(chǐ)度(dù)，你(nǐ)会(huì)发(fā)现(xiàn)它(tā)的(de)结(jié)构(gòu)就(jiù)像(xiàng)精(jīng)心(xīn)设(shè)计(jì)的(de)“积(jī)木(mù)楼(lóu)房(fáng)”——不(bù)同(tóng)层(céng)次(cì)的(de)积(jī)木(mù)块(kuài)规(guī)律(lǜ)地(de)堆叠在一起。
具体来说，这种材料由两种不同厚度的“积木层”交替堆叠而成：一种是单层的，另一种是双层的。就像盖房子时，一层平房后面跟着一层复式，然后又是平房，如此循环往复。科学家把这种结构称为“混合型Ruddlesden-Popper结构”。这个名字听起来很拗口，但你只需要记住它的关键特点：不同厚度的层交替排列，形成了独特的三维结构。
研究团队通过一种叫做“熔盐法”的技术，像种植水晶一样精心培养出了这种材料的单晶。这些晶体非常微小，大约只有0.1毫米见方，厚度只有0.02毫米，相当于两根头发丝的直径。虽然个头不大，但通过先进的显微镜观察，科学家清楚地看到了它层层叠叠的精美结构，就像千层饼一样整齐。
这种特殊的结构为什么重要？因为在超导材料中，原子如何排列往往决定了电子如何运动，而电子的运动方式又直接影响超导性能。这种“夹心”般的结构，给了电子特殊的“跑道”，可能让它们更容易配对形成超导态。
给材料施加压力的魔法——从“普通”到“超导”的“变身”
在常温常压下，La5Ni3O11只是一种普通的材料，并不表现出超导性。但研究人员发现，当温度降到零下103摄氏度（170K）左右时，这种材料会发生一种叫做“密度波转变”的现象。你可以把它想象成材料内部的电子和自旋突然排起了整齐的队列，形成了某种有序的波状图案。
真正的转折点出现在科学家给材料施加压力的时候。研究人员把微小的晶体样品放进了一(yī)个(gè)特(tè)制(zhì)的(de)“压(yā)力(lì)锅(guō)”——金(jīn)刚(gāng)石(shí)压(yā)腔。这可不是普通的高压锅，而是能够产生比大气压高几万倍、甚至几十万倍压力的精密仪器。在如此巨大的压力下，材料的原子被挤得更加紧密，内部的电子行为也随之发生改变。
随着压力逐渐增大，神奇的事情发生了。当压力达到大约12万倍大气压（12 GPa）时，原本存在的“密度波”突然消失了，取而代之的是超导状态的出现。就像是一个开关被打开，材料从一种状态突然切换到了另一种状态。这种突变式的转变告诉我们，密度波状态和超导状态之间存在着某种竞争关系——当一个减弱时，另(lìng)一(yī)个(gè)就(jiù)能(néng)壮(zhuàng)大(dà)。
更(gèng)令(lìng)人(rén)兴(xìng)奋(fèn)的(de)是(shì)，继(jì)续(xù)增(zēng)加(jiā)压(yā)力(lì)，超(chāo)导(dǎo)转(zhuǎn)变(biàn)的(de)温(wēn)度(dù)还(hái)能(néng)进(jìn)一(yī)步(bù)提(tí)高(gāo)。当(dāng)压(yā)力(lì)达到约21万倍大气压（21 GPa）时，材料达到了最佳超导状态，零电阻温度达到了54K（零下219摄氏度）。这个温度虽然还需要液氮制冷，但已经比许多超导材料高出不少了。
眼见为实的超导证据——70%的体积都在超导
在科学研究中，光看到电阻下降还不够，科学家需要多方面的证据来确认超导的真实存在。毕竟，在极端条件下进行测量充满了挑战，任何小小的误差都可能导致错误的结论。
研究团队首先测试了材料对磁场的反应。他们发现，施加磁场后，超导转变温度会降低——磁场越强，超导转变温度越低。这是超(chāo)导(dǎo)体(tǐ)的(de)典(diǎn)型(xíng)特(tè)征之一，因为磁场会破坏超导电子对的配对。
更有说服力的证据来自“迈斯纳效应”的观测。这是超导体的一个招牌特征：当材料进入超导状态时，它会把内部的磁场完全排出去，表现出完美的抗磁性。就像一个磁场“绝缘体”，拒绝让磁力线穿过。研究人员通过精密的磁性测量，在高压条件下清晰地观察到了这一效应。
迈斯纳效应中的超导体，具有极大工业潜力
（图片来源：维基百科）
最让人信服的是体积分数的数据。通过仔细计算，研究团队发现样品中有超过70%的体积都处于超导状态。这意味着这不是发生在材料表面或某些角落的局部现象，而是整块材料的大部分区域都实现了超导。这个数字在镍基超导材料中算是相当高的，充分证明了这是真正的“体超导”。
从多个角度的证据相(xiāng)互(hù)印(yìn)证，让这个发现站得住脚。这种严谨的态度，正是科学研究的精髓所在。
解开超导之谜的新线索——双层结构是关键吗？
发现新的超导材料固然令人兴奋，但更重要的问题是：为什么它会超导？这种材料有什么特别之处？
科学家注意到，La5Ni3O11的结构中包含了双层的“积木块”，这些双层结构与另一种已知的镍基超导材料La3Ni2O7非常相似。而La3Ni2O7在高压下也能实现约80K的超导转变温度。这两种材料的共同点，让研究人员猜测：双层结构可能是实现高温超导的关键“秘密武器”。
为了验证这个想法，科学家对比了不(bù)同结构的镍基材料。他们发现，三层结构的La4Ni3O10虽然在高压下也能超导，但最高温度只有30K左右，远低于双层结构的材料。这进一步支持了“双层结构很重要”的假说。
但(dàn)故(gù)事(shì)还(hái)有(yǒu)更(gèng)多(duō)细(xì)节(jié)。之(zhī)前(qián)有(yǒu)一(yī)种(zhǒng)观(guān)点(diǎn)认(rèn)为(wèi)，材(cái)料(liào)的(de)晶(jīng)体(tǐ)结(jié)构(gòu)从(cóng)正(zhèng)交(jiāo)形(xíng)变(biàn)成(chéng)四(sì)方(fāng)形（就像从长方形变成正方形）对超导很关键。然而La5Ni3O11的表现却让这个观点受到了挑战。虽然材料在相对较低的压力下（约4.5 GPa）就完成了结构转变，但超导要到12 GPa才出现，而且原本的“密度波”在结构转变后依然顽强存在。这说明结构形状的改变并不是超导出现的直(zhí)接(jiē)原(yuán)因(yīn)。
相(xiāng)反(fǎn)，研(yán)究(jiū)结(jié)果(guǒ)更(gèng)支(zhī)持(chí)另(lìng)一(yī)种(zhǒng)图(tú)景(jǐng)：密(mì)度(dù)波(bō)状(zhuàng)态(tài)和(hé)超(chāo)导(dǎo)状(zhuàng)态(tài)是(shì)两(liǎng)个(gè)竞(jìng)争(zhēng)的(de)“选(xuǎn)手(shǒu)”，压(yā)力(lì)就(jiù)像(xiàng)是(shì)“裁(cái)判(pàn)”，决(jué)定(dìng)谁(shuí)能(néng)占(zhàn)上(shàng)风(fēng)。只(zhǐ)有(yǒu)当(dāng)密(mì)度(dù)波(bō)被(bèi)充(chōng)分(fēn)压(yā)制(zhì)后(hòu)，超(chāo)导(dǎo)才(cái)有(yǒu)机(jī)会(huì)涌(yǒng)现(xiàn)。这(zhè)种(zhǒng)竞(jìng)争(zhēng)关系(xì)为(wèi)理(lǐ)解(jiě)镍(niè)基(jī)超导机理提供了重要线索。
通往实用超导的新思路——化学设计的可能性
虽(suī)然54K的超导温度已经很不错，但我们的终极梦想是实现常温常压下的超导，这样才能真正广泛应用。La5Ni3O11的发现，为这个梦想提供了新的思路。
研究团队注意到一个有趣的规律：无论是加压的块状样品，还是通过其他方式压缩的薄膜样品，超导的出现都与材料的“晶格大小”有关。当原子排列的间距缩小到某个阈值以下时，超导才会出现。这就像是一个“魔法数字”——只有把原子挤得足够紧，超导的大门才会开启。
既然La5Ni3O11是由不同层堆叠而成的“混合”材料，那么科学家可以尝试替换其中的某些层，用原子排列更紧密的层来取代原本较松散的层。通过这种“化学搭配”的方式，也许能够在不施加外部压力的情况下，让材料的晶格自然地缩小到超导区域。
这种思路就像是设计师挑选不同的布料来制作一件衣服——通过选择合适的“原料”（不同结构的层(céng)），搭(dā)配(pèi)出(chū)具(jù)有(yǒu)理(lǐ)想(xiǎng)性(xìng)质(zhì)的(de)“成(chéng)品(pǐn)”（常(cháng)压(yā)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)）。虽(suī)然(rán)这(zhè)还(hái)只(zhǐ)是(shì)一(yī)个(gè)设(shè)想(xiǎng)，但(dàn)它(tā)为(wèi)未(wèi)来(lái)的(de)材料设计指明了方向。
超导研究的历史告诉我们，突破往往来自意想不到的地方。铜氧化物超导体的发现曾让全球科学家为之震惊，铁基超导体的出现再次刷新了人们的认知，而镍基超导体作为这个家族的新成员，才刚刚开始展现它的潜力。La5Ni3O11的发现为镍基超导家族增添了重要的新成员，也为未来的研究提供了宝贵的材料平台。
常见的超导材料体系，注意1980年代涌现的铜基、2006年后涌现的铁基以及2023年后涌现的镍基高温超导材料
（图片来源：网）
参考文献：
【1】Shi, M., Peng, D., Fan, K. et al. Pressure induced superconductivity in hybrid Ruddlesden‒Popper La5Ni3O11 single crystals. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03023-3
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