【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(qǔ)得(de)突(tū)破(pò)，通(tōng)过(guò)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(sī)路。
出(chū)品(pǐn)：
作(zuò)者(zhě)：李(li)瑞(ruì)（半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)工(gōng)程(chéng)师(shī)）
监(jiān)制(zhì)：中(zhōng)国(guó)科(kē)普(pǔ)博(bó)览(lǎn)
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，这项发现为麻豆影片色欲在线观看理解超导现象、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(lóu)房(fáng)”——不(bù)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(céng)平(píng)房(fáng)后(hòu)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”。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(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(cóng)“普(pǔ)通(tōng)”到(dào)“超(chāo)导(dǎo)”的(de)“变(biàn)身(shēn)”
在(zài)常温常压下，La5Ni3O11只是一种普通的材料(liào)，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(biàn)”的(de)现(xiàn)象(xiàng)。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麻豆影片色欲在线观看，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场的反应。他们发现，施加磁场后，超导(dǎo)转(zhuǎn)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
（图片来源：维基百科）
最让人信服的是体积分数的数据。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(tài)。这(zhè)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(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)髓所在。
解开超导之谜的新线索——双层结构是关键吗？
发现新的超导材料固然令人兴奋，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(bāo)含(hán)了(le)双(shuāng)层(céng)的(de)“积(jī)木(mù)块(kuài)”，这(zhè)些(xiē)双(shuāng)层(céng)结(jié)构(gòu)与(yǔ)另(lìng)一(yī)种(zhǒng)已(yǐ)知(zhī)的(de)镍(niè)基(jī)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)La3Ni2O7非(fēi)常(cháng)相(xiāng)似(shì)。而(ér)La3Ni2O7在(zài)高压下也能实(shí)现(xiàn)约(yuē)80K的(de)超(chāo)导(dǎo)转(zhuǎn)变(biàn)温(wēn)度(dù)。这(zhè)两(liǎng)种(zhǒng)材(cái)料(liào)的(de)共(gòng)同(tóng)点(diǎn)，让(ràng)研(yán)究(jiū)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(rán)而(ér)La5Ni3O11的(de)表(biǎo)现(xiàn)却(què)让(ràng)这(zhè)个(gè)观(guān)点(diǎn)受(shòu)到(dào)了(le)挑(tiāo)战(zhàn)。虽(suī)然(rán)材(cái)料(liào)在(zài)相(xiāng)对(duì)较(jiào)低(dī)的(de)压(yā)力(lì)下(xià)（约(yuē)4.5 GPa）就(jiù)完(wán)成(chéng)了(le)结(jié)构(gòu)转(zhuǎn)变(biàn)，但(dàn)超(chāo)导(dǎo)要(yào)到(dào)12 GPa才(cái)出(chū)现(xiàn)，而(ér)且(qiě)原(yuán)本(běn)的(de)“密(mì)度(dù)波(bō)”在(zài)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，但麻豆影片色欲在线观看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(guī)律(lǜ)：无(wú)论(lùn)是(shì)加(jiā)压(yā)的(de)块(kuài)状(zhuàng)样(yàng)品(pǐn)，还(hái)是(shì)通(tōng)过(guò)其(qí)他(tā)方(fāng)式(shì)压(yā)缩(suō)的(de)薄(báo)膜(mó)样(yàng)品(pǐn)，超(chāo)导(dǎo)的(de)出(chū)现(xiàn)都与材料的“晶格大小”有关。当原子排列的间距缩小到某(mǒu)个(gè)阈(yù)值(zhí)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(chāo)导(dǎo)区(qū)域。
这(zhè)种(zhǒng)思(sī)路就(jiù)像(xiàng)是(shì)设(shè)计(jì)师(shī)挑(tiāo)选(xuǎn)不(bù)同(tóng)的(de)布(bù)料(liào)来(lái)制(zhì)作(zuò)一(yī)件(jiàn)衣(yī)服(fú)——通(tōng)过(guò)选(xuǎn)择(zé)合(hé)适(shì)的(de)“原(yuán)料(liào)”（不(bù)同(tóng)结(jié)构(gòu)的(de)层(céng)），搭(dā)配(pèi)出(chū)具(jù)有(yǒu)理(lǐ)想(xiǎng)性(xìng)质(zhì)的(de)“成(chéng)品(pǐn)”（常(cháng)压(yā)超(chāo)导(dǎo)材(cái)料(liào)）。虽(suī)然(rán)这(zhè)还(hái)只(zhǐ)是(shì)一(yī)个(gè)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麻豆影片色欲在线观看，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). http://doi.org/10.1038/s41567-025-03023-3
