【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(xiāo)失(shī)，电(diàn)流(liú)可(kě)以(yǐ)持(chí)久(jiǔ)流(liú)动(dòng)而(ér)不(bù)损(sǔn)失(shī)能(néng)量(liàng)。然(rán)而(ér)，大(dà)多(duō)数(shù)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)只(zhǐ)有(yǒu)在(zài)极(jí)低(dī)温(wēn)度(dù)下(xià)才(cái)能(néng)工(gōng)作(zuò)，这(zhè)大(dà)大(dà)限(xiàn)制(zhì)了(le)它(tā)们(men)的(de)应(yīng)用(yòng)。

最(zuì)近(jìn)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)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”——不同层次的积木块规律地堆叠在一起。

具体来说，这种材料由两种不同厚度的“积木层”交替堆叠而成：一种是单层的，另一种是双层的。就像盖房子时，一层平房后面跟着一层复式，然后又是平房，如此循环往复。科学家把这种结构称为“混合型Ruddlesden-Popper结构(gòu)”。这(zhè)个(gè)名字(zì)听(tīng)起(qǐ)来(lái)很(hěn)拗(ǎo)口(kǒu)，但(dàn)你(nǐ)只(zhǐ)需(xū)要(yào)记(jì)住(zhù)它(tā)的(de)关键特(tè)点(diǎn)：不(bù)同(tóng)厚(hòu)度(dù)的(de)层(céng)交(jiāo)替(tì)排(pái)列(liè)，形(xíng)成(chéng)了(le)独(dú)特(tè)的(de)三(sān)维(wéi)结(jié)构(gòu)。

研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)一(yī)种(zhǒng)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(zhǐ)有(yǒu)0.1毫(háo)米(mǐ)见(jiàn)方(fāng)，厚(hòu)度(dù)只(zhǐ)有(yǒu)0.02毫(háo)米(mǐ)，相(xiāng)当于两根头发丝的直径。虽然个头不大，但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，就像千层饼一样整齐。

这种特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(diàn)子(zi)的(de)运(yùn)动(dòng)方(fāng)式(shì)又(yòu)直(zhí)接(jiē)影(yǐng)响(xiǎng)超(chāo)导(dǎo)性(xìng)能(néng)。这(zhè)种(zhǒng)“夹(jiā)心(xīn)”般(bān)的(de)结(jié)构(gòu)，给(gěi)了(le)电(diàn)子(zi)特(tè)殊(shū)的(de)“跑(pǎo)道(dào)”，可(kě)能(néng)让(ràng)它(tā)们(men)更(gèng)容(róng)易(yì)配(pèi)对(duì)形(xíng)成(chéng)超(chāo)导(dǎo)态(tài)。

给(gěi)材(cái)料(liào)施(shī)加(jiā)压(yā)力(lì)的(de)魔(mó)法(fǎ)——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(xiàng)成(chéng)材(cái)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(qǔ)而(ér)代(dài)之(zhī)的(de)是(shì)超(chāo)导(dǎo)状(zhuàng)态(tài)的(de)出(chū)现(xiàn)。就(jiù)像(xiàng)是(shì)一(yī)个(gè)开(kāi)关被(bèi)打(dǎ)开(kāi)，材(cái)料(liào)从(cóng)一(yī)种(zhǒng)状(zhuàng)态(tài)突(tū)然(rán)切(qiè)换(huàn)到(dào)了(le)另(lìng)一(yī)种(zhǒng)状(zhuàng)态(tài)。这(zhè)种(zhǒng)突(tū)变(biàn)式(shì)的(de)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(diàn)阻(zǔ)下(xià)降(jiàng)还(hái)不(bù)够(gòu)，科(kē)学(xué)家(jiā)需(xū)要(yào)多(duō)方(fāng)面(miàn)的(de)证(zhèng)据(jù)来(lái)确(què)认(rèn)超(chāo)导(dǎo)的(de)真(zhēn)实(shí)存(cún)在(zài)。毕(bì)竟(jìng)，在(zài)极(jí)端(duān)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)进(jìn)行(xíng)测(cè)量(liàng)充(chōng)满(mǎn)了(le)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场的反应。他们发现，施加磁场后，超导转变温度会降低——磁场越强，超导转变温度越低。这是超导体的典型特征之一，因为磁场会破坏超导电子对的配对。

更有说服力的证据来自“迈斯纳效应”的观测。这是超导体的一个招牌特征：当材料进入超导状态时，它会把内部的磁场完全排出去，表现出完美的抗磁性。就像一个磁场“绝缘体”，拒绝让磁力线穿过。研究人员通过精密的磁性测量，在高压条件下清晰地观察到了这一效应。

迈斯纳效应中的超导体，具有极大工业潜力(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。通过仔细计算，研究团队发现样品中有超过70%的体积都处于超导状态。这意味着这不是发生在材料表面或某些角落的局部现象，而是整块材料的大部分区域都实现了超导。这个数字在镍基超导材料中算是相当高的，充分证明了这是真正的“体超导”。

从多个角度的证据相互印证，让这个发现站得住脚。这种严谨的态度，正是科学研究的精髓所在。

解开超导之谜的新线索——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(xìng)奋(fèn)，但(dàn)更(gèng)重(zhòng)要(yào)的(de)问(wèn)题(tí)是(shì)：为(wèi)什(shén)么(me)它(tā)会(huì)超(chāo)导(dǎo)？这(zhè)种(zhǒng)材(cái)料(liào)有(yǒu)什(shén)么(me)特(tè)别(bié)之(zhī)处(chù)？

科(kē)学(xué)家(jiā)注(zhù)意(yì)到(dào)，La5Ni3O11的(de)结(jié)构(gòu)中(zhōng)包(bāo)含(hán)了(le)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(biàn)后(hòu)依(yī)然(rán)顽(wán)强(qiáng)存(cún)在(zài)。这(zhè)说(shuō)明(míng)结(jié)构(gòu)形(xíng)状(zhuàng)的(de)改(gǎi)变(biàn)并(bìng)不(bù)是(shì)超(chāo)导(dǎo)出(chū)现(xiàn)的(de)直(zhí)接(jiē)原(yuán)因(yīn)。

相(xiāng)反(fǎn)，研(yán)究(jiū)结(jié)果(guǒ)更(gèng)支(zhī)持(chí)另(lìng)一(yī)种(zhǒng)图(tú)景(jǐng)：密(mì)度(dù)波(bō)状(zhuàng)态(tài)和(hé)超(chāo)导(dǎo)状(zhuàng)态(tài)是(shì)两(liǎng)个(gè)竞(jìng)争(zhēng)的(de)“选(xuǎn)手(shǒu)”，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(lǐ)解(jiě)镍(niè)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(tuán)队(duì)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(yuán)本(běn)较(jiào)松(sōng)散(sàn)的(de)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(cháng)见(jiàn)的(de)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)体(tǐ)系(xì)，注(zhù)意(yì)1980年(nián)代(dài)涌(yǒng)现(xiàn)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