【導語】2025年初，超導研究領域迎來了新的裏程碑——鎳氧化物超導體在常壓下實現了40 K的臨界溫度，正式躋身“高溫超導”家族。這一突破不僅豐富了高溫超導材料的種類，也為解決高溫超導的微觀機理帶來了新的希望。本期，糖心免费视频將深入探討鎳氧化物高溫超導的最新進展及其對未來超導材料研究的影響。

2025年伊始，超導研究的熱潮依舊持續，科學家們在鎳氧化物超導體中再度實現“天花板”級的突破——實現了常壓下40 K的臨界溫度。這意味著鎳氧化物可以正式納入為“高溫超導”家族的新成員，這是繼1980年代的銅氧化物和2008年的鐵砷及鐵硒化物之後發現的第三個高溫超導體係。

科學家們為什麽要不斷尋找新的高溫超導體？為什麽常壓下40 K是高溫超導的標誌性“分水嶺”？鎳氧化物高溫超導的發現對領域來說意味著什麽？這一期，糖心免费视频來聊聊鎳氧化物高溫超導的最新進展。

超導現象發現於1911年，距今已有114年的曆史了。超導材料具有絕對的零電阻、完全的抗磁性、磁通量子化等許多非常特殊的性質，在需要大電流、強磁場、低阻抗、強量子效應等許多方麵都有不可替代的用途。然而令人們擔憂的是，盡管糖心免费视频已經發現了成千上萬個超導體，卻沒有一個能夠在常溫常壓下使用。事實上，絕大部分超導材料的使用都必須依賴於低溫環境，因為超導現象存在一個臨界溫度（也就是Tc），必須低於這個溫度才能實現超導狀態。這個臨界溫度有多低呢？以目前使用最廣泛的Nb-Ti合金超導體為例，Tc大約是7~9 K，也就是-264℃左右，比地球南極的-90℃還要低了170多度！維持這麽低的溫度必然意味著高昂的成本和技術的挑戰。為此，科學家一直期待尋找到高臨界溫度的超導體，也就是“高溫超導體”。

在物理學家心目中，這個“高溫”並不等同於糖心免费视频生活中那種幾百攝氏度以上的高溫，而是相對大部分Tc很低的超導體而言。早期發現的超導材料大都是金屬單質或合金，常壓下最高Tc的是金屬铌，為9 K左右。在上世紀80年代以前，發現了少數幾個20 K以上的超導體，“高溫超導”的“門檻”最早設定為20 K，也就是-253℃左右，是非常之低的。

然而，如今高溫超導體的“門檻”基本公認是40 K，也就是-233℃左右。為什麽40 K會成為劃分高溫超導和低溫超導的“分界線”呢？在1956-1958年間，巴丁、庫珀和施裏弗等人建立了傳統金屬和合金超導體的微觀理論，以他們的名字簡寫命名為“BCS理論”。這個理論的核心思想在於：負責導電的電子不再是獨立的個體，而是借助原子熱振動的能量作為“膠水”，配成了“電子對”，一對電子內部失去和得到能量總是抵消，使得其中心能量保持不變。實際上，這些電子對在空間上互相交織在一起，並由於量子相幹凝聚而形成一個“宏觀量子態”，尺度遠遠大於原子間距，所以可以“無視”原子的存在而實現暢通無阻的電流，也(yě)就(jiù)是(shì)超(chāo)導(dǎo)態(tài)。1960年(nián)理(lǐ)論(lùn)家(jiā)厄(è)立(lì)希伯格(G. M.Eliashberg)把BCS理論推廣到所謂的“強耦合狀態”，提出了計算超導體Tc的理論方程。1965年，麥克米蘭(W. L. McMillan)在此基礎上進行了簡化近似，並根據已有的實驗數據做了一個大膽的預測——金屬超導體的Tc上限是40 K，這便是超導材料“麥克米蘭極限”。然而，1986年發現的銅氧化物超導體Tc很快就在中美科學家的努力下突破了40 K，達到了90 K以上。人們逐漸認識到，40 K的麥克米蘭極限僅僅適用於金屬或合金等常規超導體，而銅氧化物中的超導現象已不能用BCS理論準確描述，所以麥克米蘭極限並不適用。這就意味著40 K不僅僅是一個數值上的分界線，其實賦予了特定的物理含義，即常壓下的超導是否能夠被傳統BCS理論來描述。

傳統超導材料的麥克米蘭極限

如果你注意到我上麵說的話，會發現我在反複強調“常壓”。的確，40 K的麥克米蘭極限僅在常壓下對傳統超導體成立。如果借助壓力，材料內部原子熱振動完全可以更強，以維持更高的Tc，而且仍舊滿足BCS理論。近十餘年來，科學家們發現許多氫化物就是典型的“高壓高溫超導體”，借助百萬級的大氣壓的極端壓力，它們的Tc可以非常高，甚至逼近室溫。隻是，這種極端高壓環境比低溫環境帶來的挑戰還要大的多，要想實用化幾乎沒有希望。

如今，到底有哪些超導體可以在常壓下突破40 K而被稱之為“高溫超導體”呢？其實很少，僅有銅氧化物、鐵砷化物和鐵硒化物，糖心免费视频也可以把前者稱之為“銅基超導體”，後兩者統稱為“鐵基超導體”，加上最近發現的鎳氧化物超導體，可以稱之為“鎳基超導體”。所以，目前高溫超導包含“三大家族”：銅、鐵和鎳基超導體。

如果糖心免费视频翻看元素周期表就會發現，鎳其實位於銅和鐵中間，所以鎳基超導其實是科學家們早就“錨定”的目標。卻一直到2019年才真正實現，而直到2025年，糖心免费视频才可以放心大膽地稱之為“鎳基高溫超導體”。2019年，鎳基超導體最早出現的形式是Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜，由斯坦福大學的李丹楓和Hwang等人實現，Tc大約15 K。2023年-2024年間，鎳基超導材料在單晶或多晶塊體中被發現，中山大學王猛等人在La3Ni2O7中發現高壓可能誘導出80 K超導電性，隨後被浙江大學袁輝球團隊以及中國科學院物理研究所的程金光團隊證實，鎳基高壓超導突破了液氮溫區。而後，複旦大學趙俊、南京大學聞海虎、山東大學張俊傑、上海科大齊彥鵬等團隊陸續發現其他鎳氧化物如La4Ni3O10等中的高壓超導現象。然而，常壓下鎳基超導的Tc遲遲未能突破40 K，直到2025年2月，Nature期刊正式報道來自南方科技大學薛其坤和陳卓昱團隊的成果——在(La,Pr)3Ni2O7中實現了40 K以上的常壓超導電性。

鎳基高溫超導的突破看起來似乎很輕鬆，實際上難度非常大。早期的Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜屬於112結構，要通過特殊處理去掉裏麵多餘的氧原子才能超導，而且非常薄，大約隻有20 nm，也就是200多個原子那麽厚。而La3Ni2O7高壓超導發現初期，人們並不能肯定就是它出現的超導，材料裏有很多其他成分，並且氧含量很難被確定。直到科學家們使出了高溫超導材料探索裏的“慣用套路”——摻雜一些不同稀土元素試試。此前，在銅氧化物和鐵基超導材料的探索中，這一招都極大地提高了材料的Tc，突破了40K的門檻。果然，科學家們發現把1/3左右La替換成Pr，就可以穩定材料的327結構，實現近100%的塊體高壓超導。他們還意識到：外部的“物理壓力”其實可以用內部的“化學壓力”來替換，也就是把材料做成薄膜狀態，讓基底原子結構和材料原子結構出現不匹配，從而提供足夠的內部應力，這樣不要依賴於外部施壓，就能獲得“常壓高溫超導了”。

(Sm-Eu-Ca-Sr)NiO2超導薄膜

南方科大的團隊結合了以上兩個思路，並借助他們積累多年的“獨門絕技”——原子級別控製的氧化物薄膜外延生長技術，精細調節(La,Pr)3Ni2O7薄膜的化學配比、氧原子含量、厚度和平整度等等，嚐試了一千多個樣品，終於在Pr含量為0.15的時候出現了40 K以上的常壓超導電性。幾乎同時，斯坦福大學的Hwang團隊也在La3Ni2O7薄膜中實現了26 K以上的超導，而後借助Pr的引入得到了30 K到48 K之間的超導。今年3月份，新加坡的科學家們在最早112結構體係也實現了突破，在一係列稀土和堿土金屬的組合體係(Sm-Eu-Ca-Sr)NiO2薄膜中獲得了40K以上的超導。

這一係列常壓40K以上鎳基超導體的發現，不僅意味著高溫超導有了新的正式家族成員，而且意味著糖心免费视频在銅基和鐵基高溫超導研究的經驗和教訓都可以移植到鎳基超導上來。科學家們受到鎳基超導的啟示，提出了一些新的理論模型，更是對高溫超導Tc的上限做了理論預測。多年來困擾物理學家的高溫超導微觀機理，或許可以加速得到解決，為發現新型實用化超導材料帶來更多的希望。

本文為·創作培育計劃扶持作品

作者：羅會仟

審核：金貽榮 量子信息研究院研究員

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司