高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，打破了人們對(duì)超導(dǎo)只能存在于極低溫的認(rèn)知。但經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家近四十年努力，其形成機(jī)理仍是未解之謎。

尋找新型高溫超導(dǎo)體，是研究高溫超導(dǎo)的一個(gè)重要課題。日前，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系趙俊教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員郭建剛團(tuán)隊(duì)、北京高壓科學(xué)研究中心研究員曾橋石團(tuán)隊(duì)，合作證實(shí)了鎳氧化物中具有壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性，其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到86%，為人們理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的視角和平臺(tái)。

北京時(shí)間7月17日晚，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了這一研究成果，并在“新聞和觀點(diǎn)”專欄作了亮點(diǎn)推薦和介紹。

什么是超導(dǎo)體

所謂超導(dǎo)體，是在特定轉(zhuǎn)變溫度之下電阻為零且呈現(xiàn)完全抗磁性的材料，能廣泛應(yīng)用于電力傳輸和儲(chǔ)能、醫(yī)學(xué)成像、磁懸浮列車、量子計(jì)算等領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。迄今為止，已有10位科學(xué)家因超導(dǎo)研究獲諾貝爾獎(jiǎng)。

1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯在汞中首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，當(dāng)他把汞冷卻到約4K（“K”為熱力學(xué)溫度單位“開(kāi)爾文”，4 K=零下269.15℃）時(shí)，汞的電阻突然消失。此后很長(zhǎng)時(shí)間，科學(xué)家們認(rèn)為只有汞、鉛、鋁等常規(guī)金屬和簡(jiǎn)單合金，在極低溫下才能展現(xiàn)出超導(dǎo)性。

直到1986年，約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨和卡爾·亞歷山大·米勒在鑭鋇銅氧化物中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，臨界溫度可以高達(dá)30K。后來(lái)，包括我國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家將其超導(dǎo)臨界溫度提升至液氮溫區(qū)（77 K）直至超過(guò)130K。

證明鎳氧化物的體超導(dǎo)性質(zhì)

鎳元素在元素周期表中緊鄰銅元素，鎳氧化物被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性的重要候選材料之一。但經(jīng)過(guò)幾十年的研究，人們發(fā)現(xiàn)在鎳氧化物中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性的條件十分苛刻。

2023年，中國(guó)科學(xué)家在一種鎳氧化物中發(fā)現(xiàn)了壓力誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)電性，超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到80 K，進(jìn)一步將鎳氧化物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到了液氮溫區(qū)。但這種材料的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)較低，容易表現(xiàn)出絲狀超導(dǎo)現(xiàn)象，很難形成體超導(dǎo)電性。因此，尋找新的超導(dǎo)體系，提高超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)體超導(dǎo)電性十分關(guān)鍵。

研究團(tuán)隊(duì)成功合成了高質(zhì)量的三層鎳氧化物L(fēng)aNiO單晶樣品，樣品在低于超導(dǎo)臨界溫度下表現(xiàn)出了零電阻和完全抗磁的邁斯納效應(yīng)，超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到86%，有力證明了鎳氧化物的體超導(dǎo)性質(zhì)。

趙俊（前排左三）課題組成員合影。

“高溫超導(dǎo)研究的突破大多由實(shí)驗(yàn)、特別是新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，至今還有很多現(xiàn)有理論無(wú)法完全解釋的現(xiàn)象?！壁w俊介紹，鎳氧化物單晶樣品的生長(zhǎng)條件十分苛刻，容易出現(xiàn)多種成分的鎳氧化物層狀共生的現(xiàn)象，這可能是鎳氧化物超導(dǎo)含量低的原因。

下一步，趙俊團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)聚焦高溫超導(dǎo)領(lǐng)域重大問(wèn)題，探究不同體系高溫超導(dǎo)體的內(nèi)在聯(lián)系和機(jī)理，理解和發(fā)現(xiàn)更高性能的高溫超導(dǎo)體。