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【导语】超导若能广泛应用，将革新诸多领域，但多数超导材料需极低温条件，限制了其发展。近日，中国科学技术大学陈仙辉团队在镍基材料La5Ni3O11研究中取得突破，通过高压使其在零下219摄氏度实现超导，为理解超导、寻找实用材料打开新窗口，也为实现常温常压超导带来新思路。

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作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览

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(jī)木(mù)块规律地堆叠在(zài)一(yī)起(qǐ)。

具(jù)体(tǐ)来(lái)说(shuō)，这(zhè)种(zhǒng)材(cái)料(liào)由(yóu)两(liǎng)种(zhǒng)不(bù)同(tóng)厚(hòu)度(dù)的(de)“积(jī)木(mù)层(céng)”交(jiāo)替(tì)堆(duī)叠(dié)而(ér)成(chéng)：一(yī)种(zhǒng)是(shì)单(dān)层(céng)的(de)，另(lìng)一(yī)种(zhǒng)是(shì)双(shuāng)层(céng)的(de)。就(jiù)像(xiàng)盖(gài)房(fáng)子(zi)时(shí)，一(yī)层(céng)平(píng)房(fáng)后(hòu)面(miàn)跟(gēn)着(zhe)一(yī)层(céng)复(fù)式(shì)，然(rán)后(hòu)又(yòu)是(shì)平(píng)房(fáng)，如(rú)此(cǐ)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(tóu)不(bù)大(dà)，但(dàn)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(yàng)整(zhěng)齐(qí)。

这(zhè)种(zhǒng)特(tè)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(cí)场(chǎng)的(de)反(fǎn)应(yīng)。他(tā)们(men)发(fā)现(xiàn)，施(shī)加(jiā)磁(cí)场(chǎng)后(hòu)，超(chāo)导(dǎo)转(zhuǎn)变(biàn)温(wēn)度(dù)会(huì)降(jiàng)低(dī)——磁(cí)场(chǎng)越(yuè)强(qiáng)，超(chāo)导(dǎo)转(zhuǎn)变(biàn)温(wēn)度(dù)越(yuè)低(dī)。这(zhè)是(shì)超(chāo)导(dǎo)体(tǐ)的(de)典(diǎn)型(xíng)特(tè)征(zhēng)之(zhī)一(yī)，因(yīn)为(wèi)磁(cí)场(chǎng)会(huì)破(pò)坏(huài)超(chāo)导(dǎo)电(diàn)子(zi)对(duì)的(de)配(pèi)对(duì)。

更(gèng)有(yǒu)说(shuō)服(fú)力(lì)的(de)证(zhèng)据(jù)来(lái)自(zì)“迈(mài)斯(sī)纳(nà)效(xiào)应(yīng)”的(de)观(guān)测(cè)。这(zhè)是(shì)超(chāo)导(dǎo)体(tǐ)的(de)一(yī)个(gè)招(zhāo)牌(pái)特(tè)征(zhēng)：当(dāng)材(cái)料(liào)进(jìn)入(rù)超(chāo)导(dǎo)状(zhuàng)态(tài)时(shí)，它(tā)会(huì)把(bǎ)内(nèi)部(bù)的(de)磁(cí)场(chǎng)完(wán)全排(pái)出(chū)去(qù)，表(biǎo)现(xiàn)出(chū)完(wán)美(měi)的(de)抗(kàng)磁(cí)性(xìng)。就(jiù)像(xiàng)一(yī)个(gè)磁(cí)场(chǎng)“绝(jué)缘(yuán)体(tǐ)”，拒(jù)绝(jué)让(ràng)磁(cí)力(lì)线(xiàn)穿(chuān)过(guò)。研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)通(tōng)过(guò)精(jīng)密(mì)的(de)磁(cí)性(xìng)测(cè)量(liàng)，在(zài)高(gāo)压(yā)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)清(qīng)晰(xī)地(de)观(guān)察(chá)到了这一效(xiào)应(yīng)。

迈(mài)斯(sī)纳(nà)效(xiào)应(yīng)中(zhōng)的(de)超(chāo)导(dǎo)体(tǐ)，具(jù)有(yǒu)极(jí)大(dà)工(gōng)业(yè)潜(qián)力(lì)

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：维(wéi)基(jī)百(bǎi)科(kē)）

最(zuì)让(ràng)人(rén)信(xìn)服(fú)的(de)是(shì)体(tǐ)积(jī)分(fēn)数(shù)的(de)数(shù)据(jù)。通(tōng)过(guò)仔(zǐ)细(xì)计(jì)算(suàn)，研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)发(fā)现(xiàn)样(yàng)品(pǐn)中(zhōng)有(yǒu)超(chāo)过(guò)70%的(de)体(tǐ)积(jī)都(dōu)处(chù)于(yú)超(chāo)导(dǎo)状(zhuàng)态(tài)。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)这(zhè)不(bù)是(shì)发(fā)生(shēng)在(zài)材(cái)料(liào)表(biǎo)面(miàn)或(huò)某(mǒu)些(xiē)角(jiǎo)落(luò)的(de)局(jú)部(bù)现(xiàn)象(xiàng)，而(ér)是(shì)整(zhěng)块(kuài)材(cái)料(liào)的(de)大(dà)部(bù)分(fēn)区(qū)域都(dōu)实(shí)现(xiàn)了(le)超(chāo)导(dǎo)。这(zhè)个(gè)数(shù)字(zì)在(zài)镍(niè)基(jī)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)中(zhōng)算(suàn)是(shì)相(xiāng)当(dāng)高(gāo)的(de)，充(chōng)分(fēn)证(zhèng)明(míng)了(le)这(zhè)是(shì)真(zhēn)正(zhèng)的(de)“体(tǐ)超(chāo)导(dǎo)”。

从(cóng)多(duō)个(gè)角(jiǎo)度(dù)的(de)证(zhèng)据(jù)相(xiāng)互(hù)印(yìn)证(zhèng)，让(ràng)这(zhè)个(gè)发(fā)现(xiàn)站(zhàn)得(de)住(zhù)脚(jiǎo)。这(zhè)种(zhǒng)严(yán)谨(jǐn)的(de)态(tài)度(dù)，正(zhèng)是(shì)科(kē)学(xué)研(yán)究(jiū)的(de)精(jīng)髓(suǐ)所(suǒ)在(zài)。

解(jiě)开(kāi)超(chāo)导(dǎo)之(zhī)谜(mí)的(de)新(xīn)线(xiàn)索(suǒ)——双(shuāng)层(céng)结(jié)构(gòu)是(shì)关键吗(ma)？

发(fā)现(xiàn)新(xīn)的(de)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)固(gù)然(rán)令(lìng)人(rén)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。

常见的超导材料体系，注意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：网）

参考文献：

【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