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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，也为实现常温常压超导带来新思路。

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作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览

想象一下，如果电线能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(zài)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)中(zhōng)，原(yuán)子(zi)如(rú)何(hé)排(pái)列(liè)往(wǎng)往(wǎng)决(jué)定(dìng)了(le)电(diàn)子(zi)如(rú)何(hé)运(yùn)动(dòng)，而(ér)电(diàn)子(zi)的(de)运(yùn)动(dòng)方(fāng)式(shì)又(yòu)直(zhí)接(jiē)影(yǐng)响(xiǎng)超(chāo)导(dǎo)性(xìng)能(néng)。这(zhè)种(zhǒng)“夹(jiā)心(xīn)”般(bān)的(de)结(jié)构(gòu)，给(gěi)了(le)电(diàn)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(xiàn)出(chū)超(chāo)导(dǎo)性(xìng)。但(dàn)研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)发(fā)现(xiàn)，当(dāng)温(wēn)度(dù)降(jiàng)到(dào)零(líng)下(xià)103摄(shè)氏(shì)度(dù)（170K）左(zuǒ)右(yòu)时(shí)，这(zhè)种(zhǒng)材(cái)料(liào)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(dǎo)状(zhuàng)态(tài)。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)这(zhè)不(bù)是(shì)发(fā)生(shēng)在(zài)材(cái)料(liào)表(biǎo)面(miàn)或(huò)某(mǒu)些(xiē)角(jiǎo)落(luò)的(de)局(jú)部(bù)现(xiàn)象(xiàng)，而(ér)是(shì)整(zhěng)块(kuài)材(cái)料(liào)的(de)大(dà)部(bù)分(fēn)区(qū)域都(dōu)实(shí)现(xiàn)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。这种严谨的态度，正是科学研究的精髓所在。

解(jiě)开(kāi)超导之谜的新线索——双层结构(gòu)是(shì)关键吗(ma)？

发(fā)现(xiàn)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(xiàn)约(yuē)80K的(de)超导转变温度(dù)。这(zhè)两(liǎng)种(zhǒng)材料的共同点，让研究人员(yuán)猜(cāi)测(cè)：双(shuāng)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(dù)只(zhǐ)有(yǒu)30K左(zuǒ)右(yòu)，远(yuǎn)低(dī)于(yú)双(shuāng)层(céng)结(jié)构(gòu)的(de)材(cái)料(liào)。这(zhè)进(jìn)一(yī)步(bù)支(zhī)持(chí)了(le)“双(shuāng)层(céng)结(jié)构(gòu)很(hěn)重(zhòng)要(yào)”的(de)假(jiǎ)说(shuō)。

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(xíng)（就(jiù)像(xiàng)从(cóng)长(zhǎng)方(fāng)形(xíng)变(biàn)成(chéng)正(zhèng)方(fāng)形(xíng)）对(duì)超(chāo)导(dǎo)很(hěn)关键。然(rán)而(ér)La5Ni3O11的(de)表(biǎo)现(xiàn)却(què)让这个观点受到(dào)了(le)挑(tiāo)战(zhàn)。虽(suī)然(rán)材(cái)料(liào)在(zài)相(xiāng)对(duì)较(jiào)低(dī)的(de)压(yā)力(lì)下(xià)（约(yuē)4.5 GPa）就(jiù)完(wán)成(chéng)了(le)结(jié)构(gòu)转(zhuǎn)变(biàn)，但(dàn)超(chāo)导(dǎo)要(yào)到(dào)12 GPa才(cái)出(chū)现(xiàn)，而(ér)且(qiě)原本的“密度波”在结构转(zhuǎn)变(biàn)后(hòu)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(chāo)导(dǎo)的(de)新(xīn)思(sī)路——化(huà)学(xué)设(shè)计(jì)的(de)可(kě)能(néng)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），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