【導語】超導若能廣泛應用，將革新諸多領域，但多數超導材料需極低溫條件，限製了其發展。近日，中國科學技術大學陳仙輝團隊在鎳基材料La5Ni3O11研究中取(qǔ)得(de)突(tū)破(pò)，通(tōng)過(guò)高壓使其在零下219攝氏度實現超導，為理解超導、尋找實用材料打開新窗口，也為實現常溫常壓超導帶來新思(sī)路。

出(chū)品(pǐn)：

作(zuò)者(zhě)：李(li)瑞(ruì)（半(bàn)導(dǎo)體(tǐ)工(gōng)程(chéng)師(shī)）

監(jiān)製(zhì)：中(zhōng)國(guó)科(kē)普(pǔ)博(bó)覽(lǎn)

想象一下，如果電線能夠毫無損耗地傳輸電能，磁懸浮列車能夠更輕鬆地懸浮起來，量子計算機能夠更穩定地運行——這些美好願景的背後，其實都離不開一種神奇的物理現象：超導。簡單來說，超導就是某些材料在特定條件下，電阻完全消失，電流可以持久流動而不損失能量。然而，大多數超導材料隻有在極低溫度下才能工作，這大大限製了它們的應用。

最近，中國科學技術大學陳仙輝研究團隊傳來好消息：他們在一種特殊的鎳基材料中，通過施加高壓，成功讓它在零下219攝氏度（54K）時實現了超導。這個溫度雖然聽起來依然很低，但在超導研究領域已經算是相當高的“高溫”了。更重要的是，這項發現為糖心免费视频理解超導現象、尋找更實用的超導材料打開了新的窗口。

像搭積木一樣的晶體——材料的特殊“建築結構”

這次研究的主角是一種化學式為La5Ni3O11的材料。如果把它放大到肉眼可見的尺度，你會發現它的結構就像精心設計的“積木樓(lóu)房(fáng)”——不(bù)同層次的積木塊規律地堆疊在一起。

具體來說，這種材料由兩種不同厚度的“積木層”交替堆疊而成：一種是單層的，另一種是雙層的。就像蓋房子時，一層(céng)平(píng)房(fáng)後(hòu)麵跟著一層複式，然後又是平房，如此循環往複。科學家把這種結構稱為“混合型Ruddlesden-Popper結構”。這個名字聽起來很拗口，但你隻需要記住它的關鍵特點：不同厚度的層交替排列，形成了獨特的三維結構。

研究團隊通過一種叫做“熔鹽法”的技術，像種植水晶一樣精心培養出了這種材料的單晶。這些晶體非常微小，大約隻有0.1毫米見方，厚度隻有0.02毫米，相當於兩根頭發絲的直徑。雖然個頭不大，但通過先進的顯微鏡觀察，科學家清楚地看到了它層層疊疊的精美結構，就像千層餅一樣整齊。

這種特殊的結構為什麽重要？因為在超導材料中，原子如何排列往往決定了電子如何運動，而電子的運動方式又直接影響超導性能。這種“夾心”般的結構，給了電子特殊的“跑道”，可(kě)能(néng)讓(ràng)它(tā)們(men)更(gèng)容(róng)易(yì)配(pèi)對(duì)形(xíng)成(chéng)超(chāo)導(dǎo)態(tài)。

給(gěi)材(cái)料(liào)施(shī)加(jiā)壓(yā)力(lì)的(de)魔(mó)法(fǎ)——從(cóng)“普(pǔ)通(tōng)”到(dào)“超(chāo)導(dǎo)”的(de)“變(biàn)身(shēn)”

在(zài)常溫常壓下，La5Ni3O11隻是一種普通的材料(liào)，並不表現出超導性。但研究人員發現，當溫度降到零下103攝氏度（170K）左右時，這種材料會發生一種叫做“密度波轉變(biàn)”的(de)現(xiàn)象(xiàng)。你可以把它想象成材料內部的電子和自旋突然排起了整齊的隊列，形成了某種有序的波狀圖案。

真正的轉折點出現在科學家給材料施加壓力的時候。研究人員把微小的晶體樣品放進了一個特製的“壓力鍋”——金剛石壓腔。這可不是普通的高壓鍋，而是能夠產生比大氣壓高幾萬倍、甚至幾十萬倍壓力的精密儀器。在如此巨大的壓力下，材料的原子被擠得更加緊密，內部的電子行為也隨之發生改變。

隨著壓力逐漸增大，神奇的事情發生了。當壓力達到大約12萬倍大氣壓（12 GPa）時，原本存在的“密度波”突然消失了，取而代之的是超導狀態的出現。就像是一個開關被打開，材料從一種狀態突然切換到了另一種狀態。這種突變式的轉變告訴糖心免费视频，密度波狀態和超導狀態之間存在著某種競爭關係——當一個減弱時，另一個就能壯大。

更令人興奮的是，繼續增加壓力，超導轉變的溫度還能進一步提高。當壓力達到約21萬倍大氣壓（21 GPa）時，材料達到了最佳超導狀態，零電阻溫度達到了54K（零下219攝氏度）。這個溫度雖然還需要液氮製冷，但已經比許多超導材料高出不少了。

眼見為實的超導證據——70%的體積都在超導

在科學研究中，光看到電阻下降還不夠，科學家需要多方麵的證據來確認超導的真實存在。畢竟，在極端條件下進行測量充滿了挑戰，任何小小的誤差都可能導致錯誤的結論。

研究團隊首先測試了材料對磁場的反應。他們發現，施加磁場後，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會降低——磁場越強，超導轉變溫度越低。這是超導體的典型特征之一，因為磁場會破壞超導電子對的配對。

更有說服力的證據來自“邁斯納效應”的觀測。這是超導體的一個招牌特征：當材料進入超導狀態時，它會把內部的磁場完全排出去，表現出完美的抗磁性。就像一個磁場“絕緣體”，拒絕讓磁力線穿過。研究人員通過精密的磁性測量，在高壓條件下清晰地觀察到了這一效應。

邁斯納效應中的超導體，具有極大工業潛力

（圖片來源：維基百科）

最讓人信服的是體積分數的數據。通過仔細計算，研究團隊發現樣品中有超過70%的體積都處於超導狀態(tài)。這(zhè)意味著這不是發生在材料表麵或某些角落的局部現象，而是整塊材料的大部分區域都實現了超導。這個數字在鎳基超導材料中算是相當高的，充分證明了這是真正的“體超導”。

從多個角度(dù)的(de)證(zhèng)據(jù)相(xiāng)互(hù)印(yìn)證(zhèng)，讓(ràng)這(zhè)個(gè)發(fā)現(xiàn)站(zhàn)得(de)住(zhù)腳(jiǎo)。這(zhè)種(zhǒng)嚴(yán)謹(jǐn)的(de)態(tài)度(dù)，正(zhèng)是(shì)科(kē)學(xué)研(yán)究(jiū)的(de)精(jīng)髓所在。

解開超導之謎的新線索——雙層結構是關鍵嗎？

發現新的超導材料固然令人興奮，但更重要的問題是：為什麽它會超導？這種材料有什麽特別之處？

科學家注意到，La5Ni3O11的結構中包(bāo)含(hán)了(le)雙(shuāng)層(céng)的(de)“積(jī)木(mù)塊(kuài)”，這(zhè)些(xiē)雙(shuāng)層(céng)結(jié)構(gòu)與(yǔ)另(lìng)一(yī)種(zhǒng)已(yǐ)知(zhī)的(de)鎳(niè)基(jī)超(chāo)導(dǎo)材(cái)料(liào)La3Ni2O7非(fēi)常(cháng)相(xiāng)似(shì)。而(ér)La3Ni2O7在(zài)高壓下也能實(shí)現(xiàn)約(yuē)80K的(de)超(chāo)導(dǎo)轉(zhuǎn)變(biàn)溫(wēn)度(dù)。這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)材(cái)料(liào)的(de)共(gòng)同(tóng)點(diǎn)，讓(ràng)研(yán)究(jiū)人員猜測：雙層結構可能是實現高溫超導的關鍵“秘密武器”。

為了驗證這個想法，科學家對比了不同結構的鎳基材料。他們發現，三層結構的La4Ni3O10雖然在高壓下也能超導，但最高溫度隻有30K左右，遠低於雙層結構的材料。這進一步支持了“雙層結構很重要”的假說。

但故事還有更多細節。之前有一種觀點認為，材料的晶體結構從正交形變成四方形（就像從長方形變成正方形）對超導很關鍵。然(rán)而(ér)La5Ni3O11的(de)表(biǎo)現(xiàn)卻(què)讓(ràng)這(zhè)個(gè)觀(guān)點(diǎn)受(shòu)到(dào)了(le)挑(tiāo)戰(zhàn)。雖(suī)然(rán)材(cái)料(liào)在(zài)相(xiāng)對(duì)較(jiào)低(dī)的(de)壓(yā)力(lì)下(xià)（約(yuē)4.5 GPa）就(jiù)完(wán)成(chéng)了(le)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變(biàn)，但(dàn)超(chāo)導(dǎo)要(yào)到(dào)12 GPa才(cái)出(chū)現(xiàn)，而(ér)且(qiě)原(yuán)本(běn)的(de)“密(mì)度(dù)波(bō)”在(zài)結構轉變後依然頑強存在。這說明結構形狀的改變並不是超導出現的直接原因。

相反，研究結果更支持另一種圖景：密度波狀態和超導狀態是兩個競爭的“選手”，壓力就像是“裁判”，決定誰能占上風。隻有當密度波被充分壓製後，超導才有機會湧現。這種競爭關係為理解鎳基超導機理提供了重要線索。

通往實用超導的新思路——化學設計的可能性

雖然54K的超導溫度已經很不錯，但糖心免费视频的終極夢想是實現常溫常壓下的超導，這樣才能真正廣泛應用。La5Ni3O11的發現，為這個夢想提供了新的思路。

研究團隊注意到一個有趣的規(guī)律(lǜ)：無(wú)論(lùn)是(shì)加(jiā)壓(yā)的(de)塊(kuài)狀(zhuàng)樣(yàng)品(pǐn)，還(hái)是(shì)通(tōng)過(guò)其(qí)他(tā)方(fāng)式(shì)壓(yā)縮(suō)的(de)薄(báo)膜(mó)樣(yàng)品(pǐn)，超(chāo)導(dǎo)的(de)出(chū)現(xiàn)都與材料的“晶格大小”有關。當原子排列的間距縮小到某(mǒu)個(gè)閾(yù)值(zhí)以下時，超導才會出現。這就像是一個“魔法數字”——隻有把原子擠得足夠緊，超導的大門才會開啟。

既然La5Ni3O11是由不同層堆疊而成的“混合”材料，那麽科學家可以嚐試替換其中的某些層，用原子排列更緊密的層來取代原本較鬆散的層。通過這種“化學搭配”的方式，也許能夠在不施加外部壓力的情況下，讓材料的晶格自然地縮小到超(chāo)導(dǎo)區(qū)域。

這(zhè)種(zhǒng)思(sī)路就(jiù)像(xiàng)是(shì)設(shè)計(jì)師(shī)挑(tiāo)選(xuǎn)不(bù)同(tóng)的(de)布(bù)料(liào)來(lái)製(zhì)作(zuò)一(yī)件(jiàn)衣(yī)服(fú)——通(tōng)過(guò)選(xuǎn)擇(zé)合(hé)適(shì)的(de)“原(yuán)料(liào)”（不(bù)同(tóng)結(jié)構(gòu)的(de)層(céng)），搭(dā)配(pèi)出(chū)具(jù)有(yǒu)理(lǐ)想(xiǎng)性(xìng)質(zhì)的(de)“成(chéng)品(pǐn)”（常(cháng)壓(yā)超(chāo)導(dǎo)材(cái)料(liào)）。雖(suī)然(rán)這(zhè)還(hái)隻(zhǐ)是(shì)一(yī)個(gè)設想，但它為未來的材料設計指明了方向。

超導研究的曆史告訴糖心免费视频，突破往往來自意想不到的地方。銅氧化物超導體的發現曾讓全球科學家為之震驚，鐵基超導體的出現再次刷新了人們的認知，而鎳基超導體作為這個家族的新成員，才剛剛開始展現它的潛力。La5Ni3O11的發現為鎳基超導家族增添了重要的新成員，也為未來的研究提供了寶貴的材料平台。

常見的超導材料體係，注意1980年代湧現的銅基、2006年後湧現的鐵基以及2023年後湧現的鎳基高溫超導材料

（圖片來源：網）

參考文獻：

【1】Shi, M., Peng, D., Fan, K. et al. Pressure induced superconductivity in hybrid Ruddlesden‒Popper La5Ni3O11 single crystals. Nat. Phys. (2025). http://doi.org/10.1038/s41567-025-03023-3