聽說鎳基高溫超導體又有新成員了，而中國科學家在這一領域的貢獻尤為突出。
就在2025年2月，薛其坤院士領銜的團隊採用自主研發的「強氧化原子逐層外延」技術，成功解決了氧化物薄膜製備中不可避免的氧空位問題，通過原子級逐層控制合成了高質量的(la,pr)3ni2o7外延薄膜，並同時觀測到了零電阻與完全抗磁性兩項超導體的標誌性特性。
咦，la、pr、ni好熟悉的幾個元素，好像在物理所之前的推送上看過啊。
值得一提的是，在2024年，物理所程金光研究員便在la2prni2o7塊體樣品中，通過高壓實驗實現了超導電性，其起始轉變溫度達到82.5k，超導屏蔽體積分數高達97%，大大提高了樣品中超導相的比例。
而更早的探索則可追溯至2023年，中山大學王猛教授團隊首次在14gpa高壓下發現了la3ni2o7單晶約80k的超導電性，但是未摻雜pr的la3ni2o7生長窗口較窄，易產生氧空位和其他雜相，從而影響對超導機理的深入研究。
（悄悄透露，這三項重大研究背後，都凝聚著物理所人的智慧和汗水。薛其坤院士出自物理所表面室，王猛教授則畢業於物理所超導室，他們的傑出成就充分彰顯了物理所在超導領域的深厚底蘊與卓越創新精神！）
回想起2024年在海南舉行的中國物理學會秋季學術會議，關於鎳基超導的報告時間佔了足足1/4的比例，可見近幾年來鎳基超導領域研究的激烈程度。
今天讓我們重溫一下鎳基超導一路以來的輝煌時刻，小編雖然水平有限，但必定知無不論，論無不細。如有描述不當之處，歡迎讀者批評指正~
超導體：來自量子世界的「黑科技」
想像一下，你正在給手機充電，結果發現——插頭那頭髮電廠的電直接100%傳輸到手機上，中間的電線完全沒有能量損耗！聽起來像科幻小說？
超導的神奇之處：零電阻！
1911年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（h. k. onnes）做了一個瘋狂的實驗：他把金屬汞冷卻到4.2k，然後發現汞的電阻突然變成了零！電流可以在裡面流動永遠不衰減，就像「永動機」一樣（當然，現實中還是會有別的損耗）。這個現象叫做超導電性，onnes 也因為這個發現拿到了 1913 年的諾貝爾物理學獎。
超導不僅零電阻，還會趕走磁場
1933年，德國物理學家邁斯納（w. meissner）和奧克森菲爾德（r. ochsenfeld）發現：超導體能排斥磁場，磁力線根本進不去！。」 這叫邁斯納效應，也是超導體和普通金屬的本質區別之一。
超導體的超能力
話說這玩意到底有啥用啊？這時候就要打開腦洞了。「沒吃過豬肉，還沒見過豬跑嗎？」不理解但咱得會用。
量子界的「隧道效應」——約瑟夫森效應
1962年，約瑟夫森（b. josephson）預言，如果用一層超薄的絕緣體把兩個超導體隔開，電子竟然能成對地「穿牆」，不外加電壓就有超導電流產生——這叫約瑟夫森效應。它的一個超牛的應用是超導量子干涉儀（squid），可以測量到極其微弱的磁場，比地球磁場的十億分之一還要靈敏！
超導理論的一大突破：bcs 理論
超導現象發現之後，物理學家們撓破了腦袋也沒想明白——為什麼金屬冷到一定溫度後，電阻突然變成零？早期的解釋包括二流體模型（認為超導體里有兩種流體，一個是正常電子組成的流體，一個是超導電子組成的流體）和倫敦方程（描述了超導體如何排斥磁場），但這些理論只是「現象級」的解釋，無法觸及超導的根本機制。
直到 1957 年，三位物理學家巴丁（j. bardeen）、庫珀（l. cooper）和施里弗（j. schrieffer） 提出了劃時代的bcs 理論。他們的核心觀點是：
庫珀對：電子竟然可以「牽手」！
在正常金屬里，電子是帶負電的，按理說它們應該互相排斥。但在某些低溫金屬里，電子竟然可以成對運動，這種電子配對被稱為庫珀對（cooper pair）。
這是怎麼做到的？
在晶格中移動的電子會吸引鄰近格點上的陽離子，導致晶格出現局部畸變，即當這個電子離開時，由於庫侖相互作用，晶格上的陽離子會出現一個弛豫過程，從而形成一個局域的高正電荷區。這個局域的高正電荷區會吸引其他自由電子，從而和原來的電子以一定的結合能相結合配對。
考慮體系的能量時，可以 發 現 只 有自 旋 和 動 量 相 反 的 電 子互 相 配 對時，體系的能量才最低，因此 bcs 理論中庫珀對是由費米面附近自旋和動量相反的電子配對形成的。
bcs 理論不僅成功解釋了為什麼超導體有零電阻，還成功預測了臨界溫度（tc） 的數學表達式、邁斯納效應的起源、超導能隙（電子必須吸收一定能量才能打破庫珀對，使超導消失）。
但bcs理論預測的臨界溫度表達式（如下）無法解釋銅氧化物高溫超導體100k以上的臨界溫度。
超導體發展脈絡：百年探索與突破
超導材料的研究就像一場馬拉松，科學家們不斷尋找更高溫度下也能超導的材料。
從1911年金屬汞的發現，到如今探索室溫超導，我們可以將其發展脈絡總結為幾個關鍵階段：
1
經典超導時代（1911—1986年）
1911年，荷蘭物理學家h.k. onnes 發現金屬汞在 4.2k 時變成超導體，電阻降為零。
1933年，德國科學家 w. meissner 和 r. ochsenfeld 發現了超導體的完全抗磁性（邁斯納效應）。
1957年，bcs 理論建立，解釋了低溫超導的微觀機理，即電子通過晶格振動形成庫珀對，實現零電阻流動。
1974年，nb3ge 材料的超導臨界溫度（tc）達到 23.2k，但仍然遠低於液氮溫區（77k），限制了應用。
2
高溫超導時代（1986—2000年）
1986年，德國物理學家 j.g. bednorz 和 k.a. müller 發現 la2-xbaxcuo4具有 35k 的超導性，開啟銅氧化物高溫超導研究的新紀元。
1987年，中國科學家趙忠賢團隊和美國吳茂昆、朱經武團隊獨立製備出 yba2cu3o7₋δ（ybco），其 tc 超過90k，突破液氮溫區，使超導技術更具實際應用價值。
1993年，hgba2ca2cu3o8₊δ（汞基銅氧化物）在常壓下實現 135k 超導，在高壓下可達164k，成為銅氧化物超導的最高紀錄。
2001年，日本科學家發現 mgb2（鎂硼化物）在 39k 發生超導，為非銅氧化物超導體的研究提供了新方向。
3
鐵基超導的發現（2008—至今）
2008年，日本 h. hosono 發現鐵基化合物 lafeaso1-xfx 具有 26k 的超導性，引發新一輪超導研究浪潮。
中國科學家通過摻雜 sm、nd、ce 等元素，將鐵基超導體的 tc 提高到 50k 以上，突破了 bcs 理論預測的超導溫度極限（麥克米蘭極限）。
2012年，單層 fese 薄膜在 srtio3 基底上超導溫度達到 65k 以上，遠超塊體 fese，顯示出薄膜界面工程的重要性。
4
富氫高溫超導（2014—至今）
2015年，h3s（硫化氫）在 150gpa（百萬大氣壓）高壓下超導溫度達到 203k，首次突破 200k 大關。
2019年，lah10（鑭氫化物）在 170gpa 高壓下，tc 達到 260k，接近室溫。
碎碎念
超導研究的歷史長河中，每次新型高溫超導體的發現都有中國科學家的奮鬥身影，當我們這些零零後們試圖擠進超導研究大軍的時候卻發現老一輩們的研究已經打造成了一個極其輝煌的「宮殿」。
可是鎳基超導的出現似乎給予我們新的機會與挑戰去一窺超導背後的深刻內涵，宮殿里無盡的知識財富和經驗積累都由我們盡情汲取，試圖找到那一塊塊零散的拼圖構建起整個超導的圖像。
至此，故事講到了這裡，時間也該來到了2019年。
自1986年銅氧化物超導體的發現以來，其高達液氮溫區以上的超導臨界溫度（tc）和非常規配對機制一直吸引著科學家的廣泛關注。
銅基超導體的母體通常是強關聯電子體系，具有準二維層狀結構，其中cu2+（3d9）電子態被認為在超導性中起關鍵作用。
由於鎳（ni）在元素周期表中與銅（cu）相鄰，並且 rnio2（r=la, nd）等鎳基氧化物擁有與 cacuo2相似的無限層結構，研究者們很早便提出無限層鎳基材料可能具備類似銅氧化物的超導潛力。
隱秘的氫元素
直到2019年，斯坦福大學的harold y. hwang教授利用cah2拓撲化學還原的方法在鎳基薄膜 nd0.8sr0.2nio2中發現了 9—15 k 的超導電性，文章發表在nature上。
從利用脈衝激光沉積製備出高質量的ndnio3和摻sr2+的nd0.8sr0.2nio3，再到精確的控制拓撲化學還原的時間和溫度合成ndnio2和nd0.8sr0.2nio2。
每一步看似簡單，但國際上能復刻其超導電性的課題組實在是少之又少，極為不易。到底是什麼隱變數在起作用呢？
有這樣一個思路：電子科技大學喬梁團隊通過改變cah2還原時間，得到了弱絕緣-超導-弱絕緣的系列樣品，並詳細論證了該材料體系存在氫摻雜的穹頂區域。
氫的過摻雜、欠摻雜都有可能導致超導電性的淬滅。利用cah2強還原劑將鈣鈦礦相的頂點氧拿掉的同時，氫以h-離子的身份也會悄咪咪的進入晶格，戲劇性的改變了費米面的電子結構。
位於元素周期表第一位的氫無處不在，又好像未曾進入過我們的視野。
早在藍光發光二極體（led）研究初期，科學家嘗試摻mg以獲得p型氧化鎵，卻發現材料總是高阻的。偶然的退火實驗讓p型導電性恢復，追蹤後發現氫是「幕後黑手」——p-gan中的mg會被 mocvd外延過程中引入的h鈍化，形成mg-h 絡合物。
讓氧化物研究者又愛又恨的氧
如果說空穴摻雜無限平面層renio2鎳酸鹽超導像是銅氧化物超導體的復刻，那麼2023年中山大學王猛教授發現la3ni2o7單晶存在高壓下近80k的超導電性可謂是開闢了鎳基超導研究的新道路。
可早在1994年，goodenough教授就仔細研究過氧缺失對la3ni2o7相電學輸運和電子結構的影響，輕微的氧空位就可能導致由金屬行為轉變為半導體行為。
有趣的是1995年，研究人員細緻地討論了不同氧含量327相的金屬絕緣體轉變的晶格結構機制，並將沒有超導現象的la3ni2o7-δ與銅氧化物超導體作了對比，甚至給出了以下兩點原因：
萬萬沒想到啊，時過境遷，28年後，中國科學家通過加壓的方式發現了其高達80k的超導電性。不禁感嘆，有時候，做研究就像下面這幅圖一樣具有戲劇性：
可是，高壓下的超導極大地限制了其實際應用啊。
於是科學家們想到了另外一種方式：讓材料打「出生」就自帶應力——外延薄膜。
利用晶格常數小的srlaalo4襯底作為模板外延生長面內贗四方晶格常數較大的(lapr)3ni2o7超薄薄膜，使得幾納米的薄膜在面內受到極大的壓縮。再通過強氧化性的臭氧氣氛，在材料生長和退火過程中補全氧空位。
正如該項目的主要完成人南方科技大學副教授陳卓昱所講：「在此過程中，我們試驗了1000多片樣品，最後成功獲得了常壓下的超導電性。通過精密的電磁輸運測量，我們觀測到零電阻與抗磁性，確認了高溫超導電性的存在。」1000多片樣品的試錯，最終迎來了零電阻和抗磁性的實驗證據，實現了常壓下rp相鎳基超導。
鎳基超導研究作為當前國際科學界的前沿熱點，全球競爭異常激烈。陳卓昱表示：「由於國際競爭非常激烈，我們組織了幾個小隊輪流做實驗，每天跟進實驗結果、反饋、制訂計劃，發現超導信號後，便立刻撰寫文章。」
重新讀起這些期刊文章，了解客觀的科學現象背後的人以及他們的故事，讓人不禁流下熱淚：
「生活和做研究一樣，不過是向著更高的目標一直追求，一直堅持，而已啊……」
未來超導的終極目標：室溫超導！
目前，超導體還需要極低的溫度才能工作（比如液氦或者液氮環境），但如果有一天，科學家找到了無需高壓的室溫超導體，那麼：
電子設備效率會飆升，電池續航時間翻倍！
城市電網零損耗，電費大降！
超導限流器、超導濾波器、熱核聚變反應堆的「磁封閉體」、無摩擦的超導軸承和高精度的陀螺儀……都不再是想想而已。
所以，超導體不僅是個科學實驗室里的奇蹟，它有可能徹底改變未來世界的科技格局——這也是科學家們窮盡一生尋找更高溫超導體的原因！
參考文獻：
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[5] 物理， 2021, 50(4): 217-227
[6] 物理， 2022, 51(9): 633-643
[7] 物理， 2024, 53(8): 541-550
編輯：meyare
