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

復(fù)旦大學(xué)校物理學(xué)系趙俊教授團(tuán)隊(duì)利用高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)成功生長了三層鎳氧化物，證實(shí)了鎳氧化物中具有壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性，其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到86%，這一成果為人們理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的視角和平臺。什么是超導(dǎo)體？為什么我們要尋找新型高溫超導(dǎo)體材料？我們邀請中國科學(xué)院物理研究所研究員羅會仟，為公眾解讀高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用魅力。

問：什么是超導(dǎo)體？什么又是高溫超導(dǎo)體？

羅會仟：超導(dǎo)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(zhì)是材料內(nèi)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(dǎo)材料都必須依賴低溫環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)（>77K）。

問：為什么要尋找新型高溫超導(dǎo)體？

羅會仟：盡管已有兩大家族高溫超導(dǎo)體，且部分材料體系可以在液氮溫區(qū)使用，但它們在應(yīng)用上均存在很多瓶頸，例如難以制備純相材料、各向異性度太大、晶界弱連接、力學(xué)和機(jī)械性能差等。目前大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)材料主要以鈮鈦合金、鈮三錫等常規(guī)的低溫超導(dǎo)體為主，必須依賴昂貴的液氦制。因此，必須探索適用規(guī)模應(yīng)用的新型高溫超導(dǎo)材料。

銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體的微觀機(jī)制目前也尚未理解，涉及凝聚態(tài)物理中前沿的科學(xué)問題，例如強(qiáng)關(guān)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(dǎo)機(jī)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(dǎo)機(jī)理眾說紛紜，急需更多的新型高溫超導(dǎo)材料來驗(yàn)證其普適性。

問：鎳氧化物為什么被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性的重要候選材料之一？

羅會仟：早在上世紀(jì)80年，科學(xué)家們在搜尋氧化物中超導(dǎo)電性的時候，就注意到了鎳氧化物，但沒有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性。2019年，美國的Hwang團(tuán)隊(duì)在Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜樣品實(shí)現(xiàn)15K左右的超導(dǎo)電性。隨后，科學(xué)家們在La2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10等結(jié)構(gòu)體系探索超導(dǎo)電性，2023年7月，來自中山大學(xué)物理學(xué)院王猛教授團(tuán)隊(duì)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(dǎo)的約80K超導(dǎo)電性（壓力為14GPa）。但是La3Ni2O7高壓超導(dǎo)電性的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)并不高，而且首個報道的電阻測量也未能達(dá)到零電阻，關(guān)于其超導(dǎo)電性仍然存疑。

經(jīng)過中國科學(xué)家的不懈努力，浙江大學(xué)袁輝球團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院物理研究所的程金光團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了該材料的零電阻態(tài)，并將其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)提升到40%以上，可以確證超導(dǎo)電性。同時，南京大學(xué)的聞?；F(tuán)隊(duì)、上海科技大學(xué)的齊彥鵬團(tuán)隊(duì)以及日本科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，先后發(fā)現(xiàn)La4Ni3O10體系也可能存在高壓超導(dǎo)電性，但體積分?jǐn)?shù)都很低。2024年7月，復(fù)旦大學(xué)趙俊團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了La4Ni3O10體系的86%體積分?jǐn)?shù)的超導(dǎo)，證實(shí)了該材料的超導(dǎo)電性。至此，鎳基超導(dǎo)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(jié)構(gòu)，同時Ni元素在周期表中與Cu、Fe臨近，參與超導(dǎo)的電子主要是d軌道電子。大家普遍認(rèn)為，它們具有相似的電子態(tài)，也就意味著其超導(dǎo)機(jī)理存在某些共性。盡管后來的研究表明，鎳氧化物超導(dǎo)主要是層間的d軌道配對，與銅氧化物的層內(nèi)d軌道配對不同，但也給高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究帶來了更多的啟示。

問：科學(xué)家會通過哪些方法尋找新型高溫超導(dǎo)體？

羅會仟：探索新型高溫超導(dǎo)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(jié)構(gòu)，其中含氫較多的材料都有可能是室溫超導(dǎo)體。這個思路從2015年至今都在不斷嘗試，也確實(shí)是找到了許多特別高溫度的超導(dǎo)體，如260K超導(dǎo)體LaH10。

2、從現(xiàn)有的超導(dǎo)體微觀機(jī)制出發(fā)，研究哪些相互作用有助于提高超導(dǎo)溫度，然后重新設(shè)計(jì)構(gòu)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)下的室溫超導(dǎo)，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(qiáng)算力，通過各種已知超導(dǎo)材料物性的龐大數(shù)據(jù)庫來開展訓(xùn)練，即便在超導(dǎo)機(jī)制不明的情況下，也可以幫助我們預(yù)測出新的超導(dǎo)體，甚至是室溫超導(dǎo)體。這個依賴于數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性，和AI的可靠性，目前科學(xué)家們的行動剛剛開始，已有一些進(jìn)展，但很遺憾都不是室溫超導(dǎo)。

專家：羅會仟 中國科學(xué)院物理研究所研究員