高温超导体家族“上新”！为什么要不断寻找高温超导体？

发布时间：2024-11-01 15:19:51 来源：铜陵市某某金属材料厂 作者：焦点

高温超导现象的上新发现打破了人们对超导只能存在于极低温的传统认知，推动了材料科学和凝聚态物理等前沿领域的高温发展，寻找新型高温超导体也一直是超导宁德市某某仪器仪表教育中心科学家孜孜以求的目标。近日，族为找高国际学术期刊《自然》发表了我国科学家发现又一新型高温超导体的断寻导体最新研究成果。

复旦大学校物理学系赵俊教授团队利用高压光学浮区技术成功生长了三层镍氧化物，温超证实了镍氧化物中具有压力诱导的上新体超导电性，其超导体积分数达到86%，高温这一成果为人们理解高温超导机理提供了新的超导视角和平台。什么是族为找高超导体？为什么我们要寻找新型高温超导体材料？我们邀请中国科学院物理研究所研究员罗会仟，为公众解读高温超导材料的断寻导体应用魅力。

问：什么是温超超导体？什么又是高温超导体？

罗会仟：超导体指的是同时具有绝对零电阻和完全抗磁性的一类材料，其本质是上新宁德市某某仪器仪表教育中心材料内部巡游电子在足够低温下呈现的宏观量子凝聚态。绝大部分超导材料都必须依赖低温环境才能实现超导电性，高温一般低于40K。超导目前仅有两大类材料可以在常压下突破40K，即铜氧化合物和铁基超导体，其中铜氧化合物常压下最高临界温度为134K，突破了液氮沸点（>77K）。

问：为什么要寻找新型高温超导体？

罗会仟：尽管已有两大家族高温超导体，且部分材料体系可以在液氮温区使用，但它们在应用上均存在很多瓶颈，例如难以制备纯相材料、各向异性度太大、晶界弱连接、力学和机械性能差等。目前大规模应用的超导材料主要以铌钛合金、铌三锡等常规的低温超导体为主，必须依赖昂贵的液氦制。因此，必须探索适用规模应用的新型高温超导材料。

铜氧化物和铁基超导体的微观机制目前也尚未理解，涉及凝聚态物理中前沿的科学问题，例如强关联的多体相互作用、多电子态竞争序共存、电荷相互作用与磁性相互作用并重等问题。理解高温超导机理，有望激发新的物理理论框架甚至是全新的研究范式的形成。但目前高温超导机理众说纷纭，急需更多的新型高温超导材料来验证其普适性。

问：镍氧化物为什么被认为是实现高温超导电性的重要候选材料之一？

罗会仟：早在上世纪80年，科学家们在搜寻氧化物中超导电性的时候，就注意到了镍氧化物，但没有发现超导电性。2019年，美国的Hwang团队在Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜样品实现15K左右的超导电性。随后，科学家们在La2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10等结构体系探索超导电性，2023年7月，来自中山大学物理学院王猛教授团队及其合作者在Nature发表论文，宣布在La3Ni2O7单晶样品中发现高压诱导的约80K超导电性（压力为14GPa）。但是La3Ni2O7高压超导电性的超导体积分数并不高，而且首个报道的电阻测量也未能达到零电阻，关于其超导电性仍然存疑。

经过中国科学家的不懈努力，浙江大学袁辉球团队和中国科学院物理研究所的程金光团队实现了该材料的零电阻态，并将其超导体积分数提升到40%以上，可以确证超导电性。同时，南京大学的闻海虎团队、上海科技大学的齐彦鹏团队以及日本科学家团队，先后发现La4Ni3O10体系也可能存在高压超导电性，但体积分数都很低。2024年7月，复旦大学赵俊团队实现了La4Ni3O10体系的86%体积分数的超导，证实了该材料的超导电性。至此，镍基超导家族包含了三个成员：LaNiO2、La3Ni2O7、La4Ni3O10，其中La可以替换成其他稀土金属元素。

镍氧化物材料具有非常类似铜氧化物的材料结构，同时Ni元素在周期表中与Cu、Fe临近，参与超导的电子主要是d轨道电子。大家普遍认为，它们具有相似的电子态，也就意味着其超导机理存在某些共性。尽管后来的研究表明，镍氧化物超导主要是层间的d轨道配对，与铜氧化物的层内d轨道配对不同，但也给高温超导机理的研究带来了更多的启示。

问：科学家会通过哪些方法寻找新型高温超导体？

罗会仟：探索新型高温超导有很多可供参考的思路。

1、借助超高压力，生成常压下无法得到的材料新结构，其中含氢较多的材料都有可能是室温超导体。这个思路从2015年至今都在不断尝试，也确实是找到了许多特别高温度的超导体，如260K超导体LaH10。

2、从现有的超导体微观机制出发，研究哪些相互作用有助于提高超导温度，然后重新设计构造新的材料，在多种相互作用帮助下一起提高临界温度。

3、跳出三维材料的思维框架，在二维材料或者二维界面里寻找复合材料结构下的室温超导，或者在一维世界里重新组装原子积木。

4、借助现在AI的超强算力，通过各种已知超导材料物性的庞大数据库来开展训练，即便在超导机制不明的情况下，也可以帮助我们预测出新的超导体，甚至是室温超导体。这个依赖于数据库的准确性，和AI的可靠性，目前科学家们的行动刚刚开始，已有一些进展，但很遗憾都不是室温超导。

专家：罗会仟 中国科学院物理研究所研究员

出品：科普中国X新华网

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