高温超导现象的发现打破了大家对超导只能存在于极低温的传统认知，推进了材料科学和凝聚态物理等前沿范围的进步，探寻新型高温超导体也一直是科学家孜孜以求的目的。日前，国际学术期刊《自然》发表了国内科学家发现又一新型高温超导体的最新研究成就。

复旦大学校物理学系赵俊教授团队借助高压光学浮区技术成功成长了三层镍氧化物，证实了镍氧化物中具备重压诱导的体超导电性，其超导体积分数达到86%，这一成就为大家理解高温超导机理提供了新的视角和平台。什么是超导体？为何大家要探寻新型高温超导体材料？大家邀请了中国科学院物理研究所研究员罗会仟，为公众解析高温超导材料的应用魔力。

问：什么是超导体？什么又是高温超导体？

答：超导体指的是同时具备绝对零电阻和完全抗磁性的一类材料，其本质是材料内部巡游电子在足够低温下呈现的宏观量子凝聚态。绝大多数超导材料都需要依靠低温环境才能达成超导电性，一般低于40K。现在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（ 77 K）。

问：为何要探寻新型高温超导体？

答：尽管已有两大伙族高温超导体，且部分材料体系可以在液氮温区用，但它们在应用上均存在不少瓶颈，比如具备毒性、很难制备纯相材料、各向异性度太大、晶界弱连接、力学和机械性能差等。现在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，需要依靠昂贵的液氦制冷，应用本钱非常高。因此，需要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现在也尚未理解，涉及凝聚态物理中前沿的科学问题，比如强关联的多体相互用途、多电子态角逐序共存、电荷相互用途与磁性相互用途并重等问题。理解高温超导机理，有望激起新的物理理论框架甚至是全新的研究范式的形成。但现在高温超导机理众说纷纭，急切需要更多的新型高温超导材料来验证其普适性。

问：镍氧化物为何被觉得是达成高温超导电性的要紧候选材料之一？

答：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，但没发现超导电性。2019年，美国的Hwang团队在Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜样品达成15 K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，来自中山大学习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80 K超导电性（重压为14 GPa）。但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奋斗，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达成了该材料的零电阻态，并将它超导体积分数提高到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与日本科学家团队，先后发现La4Ni3O10体系也会存在高压超导电性，但体积分数都非常低。2024年7月，复旦大学赵俊团队达成了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，镍基超导家族包括了三个成员：LaNiO2、La3Ni2O7、La4Ni3O10，其中La可以替换成其他稀土金属元素。

镍氧化物材料具备很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，参与超导的电子主如果d轨道电子。大伙常见觉得，它们具备一样的电子态，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，镍氧化物超导主如果层间的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：科学家会通过什么办法探寻新型高温超导体？

答：探索新型高温超导有不少可供参考的思路。

1、借用超高重压，生成常压下没办法得到的材料新结构，其中含氢较多的材料都大概是室温超导体。这个思路从2015年到今天都在不断尝试，也确实是找到了很多非常高温度的超导体，如260 K超导体LaH10。

2、从现有些超导体微观机制出发，研究什么相互用途能够帮助提升超导温度，然后重新设计架构新的材料，在多种相互用途帮助下一块提升临界温度。

3、跳出三维材料的思维框架，在二维材料或者二维界面里探寻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、借用目前人工智能的超强算力，通过各种已知超导材料物性的庞云数据库来拓展练习，即使在超导机制不明的状况下，也可以帮助大家预测出新的超导体，甚至是室温超导体。这个依靠于数据库的准确性，和人工智能的靠谱性，现在科学家们的行动刚最初，已有一些进展，但非常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

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