高溫超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)打破了人們對超導只能存在于極低溫的傳統(tǒng)認知，推動了材料科學和凝聚態(tài)物理等前沿領域的發(fā)展，尋找新型高溫超導體也一直是科學家孜孜以求的目標。近日，國際學術期刊《自然》發(fā)表了我國科學家發(fā)現(xiàn)又一新型高溫超導體的最新研究成果。

復旦大學校物理學系趙俊教授團隊利用高壓光學浮區(qū)技術成功生長了三層鎳氧化物，證實了鎳氧化物中具有壓力誘導的體超導電性，其超導體積分數(shù)達到86%，這一成果為人們理解高溫超導機理提供了新的視角和平臺。什么是超導體？為什么我們要尋找新型高溫超導體材料？我們邀請了中國科學院物理研究所研究員羅會仟，為公眾解讀高溫超導材料的應用魅力。

問：什么是超導體？什么又是高溫超導體？

答：超導體指的是同時具有絕對零電阻和完全抗磁性的一類材料，其本質是材料內部巡游電子在足夠低溫下呈現(xiàn)的宏觀量子凝聚態(tài)。絕大部分超導材料都必須依賴低溫環(huán)境才能實現(xiàn)超導電性，一般低于40K。目前僅有兩大類材料可以在常壓下突破40K，即銅氧化合物和鐵基超導體，其中銅氧化合物常壓下最高臨界溫度為134K，突破了液氮沸點（>77 K）。

問：為什么要尋找新型高溫超導體？

答：盡管已有兩大家族高溫超導體，且部分材料體系可以在液氮溫區(qū)使用，但它們在應用上均存在很多瓶頸，例如具有毒性、難以制備純相材料、各向異性度太大、晶界弱連接、力學和機械性能差等。目前大規(guī)模應用的超導材料主要以鈮鈦合金、鈮三錫等常規(guī)的低溫超導體為主，必須依賴昂貴的液氦制冷，應用成本很高。因此，必須探索適用規(guī)模應用的新型高溫超導材料。

銅氧化物和鐵基超導體的微觀機制目前也尚未理解，涉及凝聚態(tài)物理中前沿的科學問題，例如強關聯(lián)的多體相互作用、多電子態(tài)競爭序共存、電荷相互作用與磁性相互作用并重等問題。理解高溫超導機理，有望激發(fā)新的物理理論框架甚至是全新的研究范式的形成。但目前高溫超導機理眾說紛紜，急需更多的新型高溫超導材料來驗證其普適性。

問：鎳氧化物為什么被認為是實現(xiàn)高溫超導電性的重要候選材料之一？

答：早在上世紀80年，科學家們在搜尋氧化物中超導電性的時候，就注意到了鎳氧化物，但沒有發(fā)現(xiàn)超導電性。2019年，美國的Hwang團隊在Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜樣品實現(xiàn)15 K左右的超導電性。隨后，科學家們在La2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10等結構體系探索超導電性，2023年7月，來自中山大學物理學院王猛教授團隊及其合作者在Nature發(fā)表論文，宣布在La3Ni2O7單晶樣品中發(fā)現(xiàn)高壓誘導的約80 K超導電性（壓力為14 GPa）。但是La3Ni2O7高壓超導電性的超導體積分數(shù)并不高，而且首個報道的電阻測量也未能達到零電阻，關于其超導電性仍然存疑。

經過中國科學家的不懈努力，浙江大學袁輝球團隊和中國科學院物理研究所的程金光團隊實現(xiàn)了該材料的零電阻態(tài)，并將其超導體積分數(shù)提升到40%以上，可以確證超導電性。同時，南京大學的聞海虎團隊、上海科技大學的齊彥鵬團隊以及日本科學家團隊，先后發(fā)現(xiàn)La4Ni3O10體系也可能存在高壓超導電性，但體積分數(shù)都很低。2024年7月，復旦大學趙俊團隊實現(xiàn)了La4Ni3O10體系的86%體積分數(shù)的超導，證實了該材料的超導電性。至此，鎳基超導家族包含了三個成員：LaNiO2、La3Ni2O7、La4Ni3O10，其中La可以替換成其他稀土金屬元素。

鎳氧化物材料具有非常類似銅氧化物的材料結構，同時Ni元素在周期表中與Cu、Fe臨近，參與超導的電子主要是d軌道電子。大家普遍認為，它們具有相似的電子態(tài)，也就意味著其超導機理存在某些共性。盡管后來的研究表明，鎳氧化物超導主要是層間的d軌道配對，與銅氧化物的層內d軌道配對不同，但也給高溫超導機理的研究帶來了更多的啟示。

問：科學家會通過哪些方法尋找新型高溫超導體？

答：探索新型高溫超導有很多可供參考的思路。

1、借助超高壓力，生成常壓下無法得到的材料新結構，其中含氫較多的材料都有可能是室溫超導體。這個思路從2015年至今都在不斷嘗試，也確實是找到了許多特別高溫度的超導體，如260 K超導體LaH10。

2、從現(xiàn)有的超導體微觀機制出發(fā)，研究哪些相互作用有助于提高超導溫度，然后重新設計構造新的材料，在多種相互作用幫助下一起提高臨界溫度。

3、跳出三維材料的思維框架，在二維材料或者二維界面里尋找復合材料結構下的室溫超導，或者在一維世界里重新組裝原子積木。

4、借助現(xiàn)在AI的超強算力，通過各種已知超導材料物性的龐大數(shù)據庫來開展訓練，即便在超導機制不明的情況下，也可以幫助我們預測出新的超導體，甚至是室溫超導體。這個依賴于數(shù)據庫的準確性，和AI的可靠性，目前科學家們的行動剛剛開始，已有一些進展，但很遺憾都不是室溫超導。

專家：羅會仟中國科學院物理研究所研究員

分享讓更多人看到