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【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，也为实现常温常(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(gòu)毫(háo)无(wú)损(sǔn)耗(hào)地(de)传(chuán)输(shū)电(diàn)能(néng)，磁(cí)悬(xuán)浮(fú)列(liè)车(chē)能(néng)够(gòu)更(gèng)轻(qīng)松(sōng)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(yīng)用(yòng)。

最(zuì)近(jìn)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)大(dà)学(xué)陈(chén)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的材料。如果把它放大到肉眼可见的尺度，你会发现它的结构就像精心设计的“积木楼房”——不同层次的积木块规律地堆叠在一起。

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个特制的“压力锅”——金刚石压腔。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(cún)在着某种竞争关系——当一个减弱时，另一个就能壮大。

更令人兴奋的是，继续增加压力，超导转变的温度还能进一步提高。当压力达到约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(jiā)需(xū)要(yào)多(duō)方(fāng)面(miàn)的(de)证(zhèng)据(jù)来(lái)确(què)认(rèn)超(chāo)导(dǎo)的(de)真(zhēn)实(shí)存(cún)在(zài)。毕(bì)竟(jìng)，在(zài)极(jí)端(duān)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)进(jìn)行(xíng)测(cè)量(liàng)充(chōng)满(mǎn)了(le)挑(tiāo)战(zhàn)，任(rèn)何(hé)小(xiǎo)小(xiǎo)的(de)误(wù)差(chà)都(dōu)可(kě)能(néng)导(dǎo)致(zhì)错(cuò)误(wù)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。这是超导体的典型特征之一，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(mài)斯(sī)纳(nà)效(xiào)应(yīng)中(zhōng)的(de)超(chāo)导(dǎo)体(tǐ)，具(jù)有(yǒu)极(jí)大(dà)工(gōng)业(yè)潜(qián)力(lì)

（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互印证，让这个发现站得住脚。这种(zhǒng)严(yán)谨(jǐn)的(de)态(tài)度(dù)，正(zhèng)是(shì)科(kē)学(xué)研(yán)究(jiū)的(de)精(jīng)髓(suǐ)所(suǒ)在(zài)。

解(jiě)开(kāi)超(chāo)导(dǎo)之(zhī)谜(mí)的(de)新(xīn)线(xiàn)索(suǒ)——双(shuāng)层(céng)结(jié)构(gòu)是(shì)关键吗(ma)？

发(fā)现(xiàn)新(xīn)的(de)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)固(gù)然(rán)令(lìng)人(rén)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(jiǎ)说(shuō)。

但(dàn)故事还有更多细节。之前有一种观点认为，材料的晶体结构从正交形变成四方形（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接原因。

相反，研究结果更支持另一种图景：密度波状态和超导状态是两个竞争的“选手”，压力就像是“裁判”，决定谁能占上风。只有当密度波被充分压制后，超导才有机会涌现。这种竞争关系为理解镍基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(xìng)

虽(suī)然(rán)54K的(de)超(chāo)导(dǎo)温(wēn)度(dù)已(yǐ)经(jīng)很(hěn)不(bù)错(cuò)，但(dàn)我(wǒ)们(men)的(de)终(zhōng)极(jí)梦(mèng)想(xiǎng)是(shì)实(shí)现(xiàn)常(cháng)温(wēn)常(cháng)压(yā)下(xià)的(de)超(chāo)导(dǎo)，这(zhè)样(yàng)才(cái)能(néng)真(zhēn)正(zhèng)广(guǎng)泛(fàn)应(yīng)用(yòng)。La5Ni3O11的(de)发(fā)现(xiàn)，为(wèi)这(zhè)个(gè)梦(mèng)想(xiǎng)提(tí)供(gōng)了(le)新(xīn)的(de)思(sī)路。

研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)注(zhù)意(yì)到(dào)一(yī)个(gè)有(yǒu)趣(qù)的(de)规(guī)律(lǜ)：无(wú)论(lùn)是(shì)加(jiā)压(yā)的(de)块(kuài)状(zhuàng)样(yàng)品(pǐn)，还(hái)是(shì)通(tōng)过(guò)其(qí)他(tā)方(fāng)式(shì)压(yā)缩(suō)的(de)薄(báo)膜(mó)样(yàng)品(pǐn)，超(chāo)导(dǎo)的(de)出(chū)现(xiàn)都(dōu)与(yǔ)材(cái)料(liào)的(de)“晶(jīng)格(gé)大(dà)小(xiǎo)”有(yǒu)关。当(dāng)原(yuán)子(zi)排(pái)列(liè)的(de)间(jiān)距(jù)缩(suō)小(xiǎo)到(dào)某(mǒu)个(gè)阈(yù)值(zhí)以(yǐ)下(xià)时(shí)，超(chāo)导(dǎo)才(cái)会(huì)出(chū)现(xiàn)。这(zhè)就(jiù)像(xiàng)是(shì)一(yī)个(gè)“魔(mó)法(fǎ)数(shù)字(zì)”——只(zhǐ)有(yǒu)把(bǎ)原(yuán)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），搭配出具有理想性质的“成品”（常压超导材料）。虽然这还只是一个设想，但它为未来的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