神奇材料在“压力锅”里变身：神科学家发现新型镍基高温超导体

（来源：科普中国）

转自：科普中国

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。

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。这种严谨的态度，正是科学研究的精髓所在。

解开超导之谜的新线索——

双层结构是关键吗？

发现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”的假说。

但故事还有更多细节。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

虽然 54K 的超导温度已经很不错，但我们的终极梦想是实现常温常压下的超导，这样才能真正广泛应用。La5Ni3O11 的发现，为这个梦想提供了新的思路。

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。

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：科普中国网）