高溫超導現象的發現打破了人們對超導只能存在於極低溫的傳統認知，推動了材料科學和凝聚態物理等前沿領域的發展，尋找新型高溫超導體也一直是科學家孜孜以求的目標。近日，國際學術期刊【自然】發表了中國科學家發現又一新型高溫超導體的最新研究成果。
復旦大學校物理學系趙俊教授團隊利用高壓光學浮區技術成功生長了三層鎳氧化物，證實了鎳氧化物中具有壓力誘導的體超導電性，其超導體積分數達到86%，這一成果為人們理解高溫超導機理提供了新的視角和平台。什麽是超導體？為什麽我們要尋找新型高溫超導體材料？我們邀請了中國科學院物理研究所研究員羅會仟，為公眾解讀高溫超導材料的套用魅力。
問：什麽是超導體？什麽又是高溫超導體？
答：超導體指的是同時具有絕對零電阻和完全抗磁性的一類材料，其本質是材料內部巡遊電子在足夠低溫下呈現的宏觀量子凝聚態。絕大部份超導材料都必須依賴低溫環境才能實作超導電性，一般低於40K。目前僅有兩大類材料可以在常壓下突破40K，即銅氧化合物和鐵基超導體，其中銅氧化合物常壓下最高臨界溫度為134K，突破了液氮沸點（>77 K）。
問：為什麽要尋找新型高溫超導體？
答：盡管已有兩大家族高溫超導體，且部份材料體系可以在液氮溫區使用，但它們在套用上均存在很多瓶頸，例如具有毒性、難以制備純相材料、各向異性度太大、晶界弱連線、力學和機械效能差等。目前大規模套用的超導材料主要以鈮鈦合金、鈮三錫等常規的低溫超導體為主，必須依賴昂貴的液氦制冷，套用成本很高。因此，必須探索適用規模套用的新型高溫超導材料。
銅氧化物和鐵基超導體的微觀機制目前也尚未理解，涉及凝聚態物理中前沿的科學問題，例如強關聯的多體相互作用、多電子態競爭序共存、電荷相互作用與磁性相互作用並重等問題。理解高溫超導機理，有望激發新的物理理論框架甚至是全新的研究範式的形成。但目前高溫超導機理眾說紛紜，急需更多的新型高溫超導材料來驗證其普適性。
問：鎳氧化物為什麽被認為是實作高溫超導電性的重要候選材料之一？
答：早在上世紀80年，科學家們在搜尋氧化物中超導電性的時候，就註意到了鎳氧化物，但沒有發現超導電性。2019年，美國的Hwang團隊在Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜樣品實作15 K左右的超導電性。隨後，科學家們在La2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10等結構體系探索超導電性，2023年7月，來自中山大學物理學院王猛教授團隊及其合作者在Nature發表論文，宣布在La3Ni2O7單晶樣品中發現高壓誘導的約80 K超導電性（壓力為14 GPa）。但是La3Ni2O7高壓超導電性的超導體積分數並不高，而且首個報道的電阻測量也未能達到零電阻，關於其超導電性仍然存疑。
經過中國科學家的不懈努力，浙江大學袁輝球團隊和中國科學院物理研究所的程金光團隊實作了該材料的零電阻態，並將其超導體積分數提升到40%以上，可以確證超導電性。同時，南京大學的聞海虎團隊、上海科技大學的齊彥鵬團隊以及日本科學家團隊，先後發現La4Ni3O10體系也可能存在高壓超導電性，但體積分數都很低。2024年7月，復旦大學趙俊團隊實作了La4Ni3O10體系的86%體積分數的超導，證實了該材料的超導電性。至此，鎳基超導家族包含了三個成員：LaNiO2、La3Ni2O7、La4Ni3O10，其中La可以替換成其他稀土金屬元素。
鎳氧化物材料具有非常類似銅氧化物的材料結構，同時Ni元素在周期表中與Cu、Fe臨近，參與超導的電子主要是d軌域電子。大家普遍認為，它們具有相似的電子態，也就意味著其超導機理存在某些共性。盡管後來的研究表明，鎳氧化物超導主要是層間的d軌域配對，與銅氧化物的層內d軌域配對不同，但也給高溫超導機理的研究帶來了更多的啟示。
問：科學家會透過哪些方法尋找新型高溫超導體？
答：探索新型高溫超導有很多可供參考的思路。
1、借助超高壓力，生成常壓下無法得到的材料新結構，其中含氫較多的材料都有可能是室溫超導體。這個思路從2015年至今都在不斷嘗試，也確實是找到了許多特別高溫度的超導體，如260 K超導體Lap0。
2、從現有的超導體微觀機制出發，研究哪些相互作用有助於提高超導溫度，然後重新設計構造新的材料，在多種相互作用幫助下一起提高臨界溫度。
3、跳出三維材料的思維框架，在二維材料或者二維界面裏尋找復合材料結構下的室溫超導，或者在一維世界裏重新組裝原子積木。
4、借助現在AI的超強算力，透過各種已知超導材料物性的龐大數據庫來開展訓練，即便在超導機制不明的情況下，也可以幫助我們預測出新的超導體，甚至是室溫超導體。這個依賴於數據庫的準確性，和AI的可靠性，目前科學家們的行動剛剛開始，已有一些進展，但很遺憾都不是室溫超導。
專家：羅會仟中國科學院物理研究所研究員
