神奇材料在“壓力鍋”裏變身：神科學家發現新型鎳基高溫超導體
想象一下，如果電線能夠毫無損耗地傳輸電能，磁懸浮列車能夠更輕鬆地懸浮起來，量子計算機能夠更穩定地運行——這些美好願景的背後，其實都離不開一種神奇的物理現象：超導。
簡單來說，超導就是某些材料在特定條件下，電阻完全消失，電流可以持久流動而不損失能量。然而，大多數超導材料只有在極低溫度下才能工作，這大大限制了它們的應用。
最近，中國科學技術大學陳仙輝研究團隊傳來好消息：他們在一種特殊的鎳基材料中，通過施加高壓，成功讓它在零下 219 攝氏度（54K）時實現了超導。這個溫度雖然聽起來依然很低，但在超導研究領域已經算是相當高的“高溫”了。更重要的是，這項發現爲我們理解超導現象、尋找更實用的超導材料打開了新的窗口。
像搭積木一樣的晶體——
材料的特殊“建築結構”
這次研究的主角是一種化學式爲 La5Ni3O11 的材料。如果把它放大到肉眼可見的尺度，你會發現它的結構就像精心設計的“積木樓房”——不同層次的積木塊規律地堆疊在一起。
具體來說，這種材料由兩種不同厚度的“積木層”交替堆疊而成：一種是單層的，另一種是雙層的。就像蓋房子時，一層平房後面跟着一層複式，然後又是平房，如此循環往復。科學家把這種結構稱爲“混合型 Ruddlesden-Popper 結構”。這個名字聽起來很拗口，但你只需要記住它的關鍵特點：不同厚度的層交替排列，形成了獨特的三維結構。
研究團隊通過一種叫做“熔鹽法”的技術，像種植水晶一樣精心培養出了這種材料的單晶。這些晶體非常微小，大約只有 0.1 毫米見方，厚度只有 0.02 毫米，相當於兩根頭髮絲的直徑。雖然個頭不大，但通過先進的顯微鏡觀察，科學家清楚地看到了它層層疊疊的精美結構，就像千層餅一樣整齊。
這種特殊的結構爲什麼重要？因爲在超導材料中，原子如何排列往往決定了電子如何運動，而電子的運動方式又直接影響超導性能。這種“夾心”般的結構，給了電子特殊的“跑道”，可能讓它們更容易配對形成超導態。
給材料施加壓力的魔法——
從“普通”到“超導”的“變身”
在常溫常壓下，La5Ni3O11 只是一種普通的材料，並不表現出超導性。但研究人員發現，當溫度降到零下 103 攝氏度（170K）左右時，這種材料會發生一種叫做“密度波轉變”的現象。你可以把它想象成材料內部的電子和自旋突然排起了整齊的隊列，形成了某種有序的波狀圖案。
真正的轉折點出現在科學家給材料施加壓力的時候。研究人員把微小的晶體樣品放進了一個特製的“壓力鍋”——金剛石壓腔。這可不是普通的高壓鍋，而是能夠產生比大氣壓高几萬倍、甚至幾十萬倍壓力的精密儀器。在如此巨大的壓力下，材料的原子被擠得更加緊密，內部的電子行爲也隨之發生改變。
隨着壓力逐漸增大，神奇的事情發生了。當壓力達到大約 12 萬倍大氣壓（12 GPa）時，原本存在的“密度波”突然消失了，取而代之的是超導狀態的出現。就像是一個開關被打開，材料從一種狀態突然切換到了另一種狀態。這種突變式的轉變告訴我們，密度波狀態和超導狀態之間存在着某種競爭關係——當一個減弱時，另一個就能壯大。
更令人興奮的是，繼續增加壓力，超導轉變的溫度還能進一步提高。當壓力達到約 21 萬倍大氣壓（21 GPa）時，材料達到了最佳超導狀態，零電阻溫度達到了 54K（零下 219 攝氏度）。這個溫度雖然還需要液氮製冷，但已經比許多超導材料高出不少了。
眼見爲實的超導證據——
70%的體積都在超導
在科學研究中，光看到電阻下降還不夠，科學家需要多方面的證據來確認超導的真實存在。畢竟，在極端條件下進行測量充滿了挑戰，任何小小的誤差都可能導致錯誤的結論。
研究團隊首先測試了材料對磁場的反應。他們發現，施加磁場後，超導轉變溫度會降低——磁場越強，超導轉變溫度越低。這是超導體的典型特徵之一，因爲磁場會破壞超導電子對的配對。
更有說服力的證據來自“邁斯納效應”的觀測。這是超導體的一個招牌特徵：當材料進入超導狀態時，它會把內部的磁場完全排出去，表現出完美的抗磁性。就像一個磁場“絕緣體”，拒絕讓磁力線穿過。研究人員通過精密的磁性測量，在高壓條件下清晰地觀察到了這一效應。
邁斯納效應中的超導體，具有極大工業潛力（圖片來源：維基百科）
最讓人信服的是體積分數的數據。通過仔細計算，研究團隊發現樣品中有超過 70%的體積都處於超導狀態。這意味着這不是發生在材料表面或某些角落的局部現象，而是整塊材料的大部分區域都實現了超導。這個數字在鎳基超導材料中算是相當高的，充分證明了這是真正的“體超導”。
從多個角度的證據相互印證，讓這個發現站得住腳。這種嚴謹的態度，正是科學研究的精髓所在。
解開超導之謎的新線索——
雙層結構是關鍵嗎？
發現新的超導材料固然令人興奮，但更重要的問題是：爲什麼它會超導？這種材料有什麼特別之處？
科學家注意到，La5Ni3O11 的結構中包含了雙層的“積木塊”，這些雙層結構與另一種已知的鎳基超導材料 La3Ni2O7 非常相似。而 La3Ni2O7 在高壓下也能實現約 80K 的超導轉變溫度。這兩種材料的共同點，讓研究人員猜測：雙層結構可能是實現高溫超導的關鍵“祕密武器”。
爲了驗證這個想法，科學家對比了不同結構的鎳基材料。他們發現，三層結構的 La4Ni3O10 雖然在高壓下也能超導，但最高溫度只有 30K 左右，遠低於雙層結構的材料。這進一步支持了“雙層結構很重要”的假說。
但故事還有更多細節。之前有一種觀點認爲，材料的晶體結構從正交形變成四方形（就像從長方形變成正方形）對超導很關鍵。然而 La5Ni3O11 的表現卻讓這個觀點受到了挑戰。雖然材料在相對較低的壓力下（約 4.5 GPa）就完成了結構轉變，但超導要到 12 GPa 纔出現，而且原本的“密度波”在結構轉變後依然頑強存在。這說明結構形狀的改變並不是超導出現的直接原因。
相反，研究結果更支持另一種圖景：密度波狀態和超導狀態是兩個競爭的“選手”，壓力就像是“裁判”，決定誰能佔上風。只有當密度波被充分壓制後，超導纔有機會湧現。這種競爭關係爲理解鎳基超導機理提供了重要線索。
通往實用超導的新思路——
化學設計的可能性
雖然 54K 的超導溫度已經很不錯，但我們的終極夢想是實現常溫常壓下的超導，這樣才能真正廣泛應用。La5Ni3O11 的發現，爲這個夢想提供了新的思路。
研究團隊注意到一個有趣的規律：無論是加壓的塊狀樣品，還是通過其他方式壓縮的薄膜樣品，超導的出現都與材料的“晶格大小”有關。當原子排列的間距縮小到某個閾值以下時，超導纔會出現。這就像是一個“魔法數字”——只有把原子擠得足夠緊，超導的大門纔會開啓。
既然 La5Ni3O11 是由不同層堆疊而成的“混合”材料，那麼科學家可以嘗試替換其中的某些層，用原子排列更緊密的層來取代原本較鬆散的層。通過這種“化學搭配”的方式，也許能夠在不施加外部壓力的情況下，讓材料的晶格自然地縮小到超導區域。
這種思路就像是設計師挑選不同的布料來製作一件衣服——通過選擇合適的“原料”（不同結構的層），搭配出具有理想性質的“成品”（常壓超導材料）。雖然這還只是一個設想，但它爲未來的材料設計指明瞭方向。
超導研究的歷史告訴我們，突破往往來自意想不到的地方。銅氧化物超導體的發現曾讓全球科學家爲之震驚，鐵基超導體的出現再次刷新了人們的認知，而鎳基超導體作爲這個家族的新成員，纔剛剛開始展現它的潛力。La5Ni3O11 的發現爲鎳基超導家族增添了重要的新成員，也爲未來的研究提供了寶貴的材料平臺。
常見的超導材料體系，注意1980年代湧現的銅基、2006年後湧現的鐵基以及2023年後湧現的鎳基高溫超導材料（圖片來源：科普中國網）
參考文獻
[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
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出品丨科普中國
作者丨李瑞 半導體工程師
監製丨中國科普博覽
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