中科院理化所刘静团队APR：超导发现百年轮回，液态金属从“起点”变成“新疆域”

1911 年，卡末林•昂内斯在荷兰莱顿大学的低温实验室首次观测到零电阻现象时，选用的并非精心合成的特殊材料，而是一种可以反复蒸馏提纯的寻常金属：汞，俗称水银，其电阻在4.2 K处陡然消失，超导的百年历史由此开启。然而，“第一个超导体是一种室温液态金属”这一事实，在漫长岁月里却鲜有人追问其深意。

一个多世纪后的今天，超导体已成为能源、医疗与量子技术的核心材料，但主流制备路线仍高度依赖高温、高压或高真空。块材合成通常需要1000 K以上温度与长时间热处理，薄膜生长则依赖精密真空设备与晶格匹配衬底，且多数超导材料性脆、难以加工集成。这个来自超导研究起点的历史巧合，是否暗示了某种尚未被深度探索的路径？

近日，中国科学院理化技术研究所低温科学与技术全国重点实验室的科研人员沿着这一追问，将低熔点金属作为重新审视超导研发的切入点，系统提出并阐述了“低熔点金属衍生超导体（LMDS）”统一范式，以镓、铟、铋及其合金等低熔点金属作为动态反应介质，建立起了在近室温条件下合成超导材料并以图案化方式直接印制超导器件的工程学途径，构建了数据驱动的液态金属材料基因组框架，并就“超导能否存在于真正液态”这一经典疑题进行了全新解读。相应工作以“Low-Melting-Point Metal Routes towards Making Superconductors”为题发表于国际期刊《Applied Physics Review》，中国科学院理化技术研究所博士生花晨为论文第一作者，刘静研究员为通讯作者。

【历史的伏笔：熔点与超导的隐秘关联】

研究团队注意到这样一个有趣的统计规律：在预测超导转变温度的诸多材料特征中，熔点占据着出人意料的重要位置。熔化瓦解晶格秩序，超导则建立电子量子凝聚，二者表现形式十分迥异，但本质上却都是有序与无序的竞争。基于全部金属元素的物性数据，论文开展的相关性分析表明，材料的弹性模量与超导转变温度Tc呈负相关、与熔点呈强正相关，而熔点与Tc呈弱负相关，这意味着熔点越低、晶格越软的金属往往越有利于常规声子媒介超导。图1给出了全金属元素物性关联图谱。这一趋势可在BCS框架下得到认识，而熔点与超导之间的完整定量关系，以及该规律向合金体系的延伸，正是LMDS体系可望借助数据与理论共同回答的问题。

图1. 金属元素物性关联图谱

【无序亦有益：液态金属的多重角色】

LMDS涵盖两类体系：经液态金属辅助制备的超导体，以及其自身通过冷却形成的超导相。图2揭示了从室温流体到低温超导态的图像：液态金属作为溶剂、掺杂库、界面媒介与结构模板，通过成分调控与限域效应转化为多元架构；其自身也可经合金化、非晶化或纳米限域直接形成超导态。辅助制备方面，Ga超掺杂Ge薄膜、Ga插层石墨烯、Mo4Ga20As及石墨烯/SiC限域三层镓等体系，借助Ga实现掺杂、插层与界面耦合；自身方面，非晶Ga的Tc约8.4 K，非晶铋约6 K，Ga-In-Sn纳米液滴、In-Sn与Ga-In-Sn合金块体及液态金属墨水打印线路在冷却后均呈现超导转变。这些体系共同遵循“室温加工，低温超导”的模式。

图2. 液态金属的四重角色与多元超导架构的转化

【液态塑形，低温超导：跨越维度的制备图景】

LMDS的核心设计是将制备与运行分离，在近室温下以液态金属墨水形式完成塑形或合成，再通过低温赋予其超导性能。图3按照方法、条件、结构与证据四个维度，以矩阵形式呈现了这一范式在块体、薄膜、二维界面、线路及纳米颗粒等场景下的应用途径。从常压液相反应到温和真空环境，从打印成型到界面插层与微流道灌注，加工窗口覆盖了从宏观块体到原子级限域的广阔尺度，且多数步骤可在常温或近室温下完成，无需传统烧结那样的上千度高温条件，整体能耗与设备门槛显著降低，而超导性能均在冷却后的衍生结构中加以确证。

图3. 基于低熔点金属制备超导材料的4条典型路线

【让数据替代试错：液态金属材料基因组】

LMDS多元制备路线显著拓展了超导材料的组分与结构空间，传统试错方式存在效率低下、难以为继的不足。团队为此提出了液态金属材料基因组框架，以化学成分、原子结构、基态量、相互作用参数及宏观物性五大数据域构成体系。图4展示了面向超导设计的五维数据框架，打通了各域双向推理：既可从成分结构正向预测Tc，也能以目标Tc逆向筛选合成路径。这一架构整合了SuperCon2、3DSC、JARVIS-SuperconDB等数据库与机器学习修正McMillan公式等方法，将分散资源汇聚为可扩展的统一探索平台。当室温加工的灵活性与数据架构的理性设计相互衔接，超导材料探索便从经验摸索走向系统定制与优化。

图4. 面向超导材料设计的五维数据框架：从成分到性能

【未竟之问：器件工程、无序调控与液态超导的可能】

LMDS在器件与基础层面提出了开放性问题。图5以形象示意图呈现了对应的双相模式：室温下为可拉伸、自愈合、可打印的电子墨水，冷却后凝固为均匀超导相，可在超导态与高导态之间可逆切换，有望为量子互连、谐振器及量子比特芯片提供柔性化方案，室温流体操控还可动态调整量子比特连接拓扑。同时，非晶镓与铋提示无序并非纯粹干扰，液态金属的低熔点与高原子迁移率使局部结构可通过冷却速率、成分、限域与界面加以重构和调节。由此，超导能否存在于真正液态这一百年追问被重新激活：液体中的时间无序与静态无序本质不同，文章从动态谱、配对媒介到相位相干划定了严格判据，将其纳入可检验的实验。

图5. 低熔点金属衍生超导体双相范式：室温液态加工与低温超导运行

总的说来，液态金属制备超导材料及器件的模式，开启了一条不同于以往的合成理念与材料发现路径，可望为超导研究与应用带来新的机遇与发展。

文章链接：

https://doi.org/10.1063/5.0332228