重磅突发：我国高温超导体研究取得里程碑进展-维修星

超导体因其巨大的应用潜力而备受关注，寻找新型高温超导体一直是科学家们的孜孜不倦的追求。

复旦大学物理系赵俊教授团队的一项研究成果题为“受压三层 La4Ni3O10-δ 单晶中的超导性”，发表于《自然》杂志，为人们理解高温超导机理提供了新的视角和平台。

该研究团队利用高压光学浮区技术，成功生长了三层镍氧化物 La4Ni3O10 高质量单晶样品，证实了镍氧化物中存在压力诱导的体超导电性，超导体积分高达 86%，这意味着发现了一种新型高温超导体。

研究还发现，该材料呈现出奇异金属和独特的层间耦合行为，为人们理解高温超导机理提供了新的线索。

超导材料是指在特定转变温度以下电阻为零且具有完全抗磁性的材料，其在电力传输和储能、医学成像、磁悬浮列车和量子计算等领域具有重要的应用价值。

自 1911 年荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯发现汞中的超导现象以来，已有 10 位科学家因超导研究荣获诺贝尔奖。

1986 年，约翰内斯·贝德诺尔茨和卡尔·亚历山大·米勒在镧钡铜氧化物中发现了高温超导现象，临界温度可高达 30 K。此后，包括我国科学家在内的多国科学家已将超导临界温度提升到了液氮温区（77 K）以上，甚至超过 130 K。

高温超导现象的发现颠覆了人们以往认为超导只存在于极低温的认知。近四十年来，世界各国科学家围绕高温超导现象进行了深入研究，但其形成机理至今仍未解。

寻找新型高温超导体是研究高温超导的一个重要课题，一方面是为了从新的角度寻找理解高温超导机理的线索，新的材料体系也可能带来新的应用前景。

镍元素与铜元素在元素周期表中紧邻，镍氧化物被认为是实现高温超导电性的重要候选材料之一。但长期以来，在镍氧化物中实现超导电性一直面临着苛刻的条件。

2019 年，具有无限层 NiO2 面的 Nd0.8Sr0.2NiO2 体系被报道具有超导电性，转变温度约为 5-15 K。但该体系的超导电性仅限于薄膜样品，块体材料无法实现超导。

2023 年，中国科研人员在三层镍氧化物 La₄Ni₃O₁₀ 中发现了压力诱导的高温超导性。这种材料的超导临界温度达到 80 K，将镍氧化物的超导转变温度进一步提升到液氮温度范围。

先前发现的双层镍氧化物 La₃Ni₂O₇ 中，超导体体积分数较低，呈现丝状超导现象，难以形成体超导电性。寻求新的超导体系，提高超导体体积分数，实现体超导电性至关重要。

在《自然》杂志发表的最新研究中，赵俊团队成功合成出高质量的三层镍氧化物 La₄Ni₃O₁₀ 单晶样品。该样品在低于超导临界温度时表现出零电阻和迈斯纳效应，超导体体积分数高达 86%，有力地证明了镍氧化物的体超导性质。

赵俊表示：“这个超导体体积分数接近铜氧化物高温超导体，无疑证实了镍氧化物的体超导电性。”

赵俊于 2012 年回国加入复旦大学物理学系后，一直致力于高温超导和量子磁性材料等关联电子体系的中子散射研究。他还从事大尺寸、高质量单晶样品的生长及其热力学和输运性质测量。

赵俊介绍道：“高温超导研究的突破往往由实验驱动，特别是新超导体的发现。至今为止，仍有不少现象无法用现有理论完全解释。”

由于镍氧化物单晶样品的生长条件十分苛刻，需要在特定高氧压环境中保持高温和尖锐的温度梯度，才能实现稳定生长。团队利用高压光学浮区技术生长了大量样品，不断总结规律，最终成功合成出纯相三层 La₄Ni₃O₁₀ 镍氧化物单晶样品。

研究人员还通过中子衍射和 X 射线衍射测量精确测定材料的晶格结构和氧原子坐标及含量，发现其中几乎没有顶点氧缺陷，这可能是导致镍氧化物超导含量低的原因。

利用金刚石对顶砧技术，研究团队与合作者发现 La₄Ni₃O₁₀ 在 69 GPa 压力下出现超导零电阻现象，超导临界温度达到 30 K。根据抗磁性数据估算，该单晶样品的超导体体积分数高达 86%，证实了镍氧化物的体超导性质。

三层结构形成的独特三明治结构，让外层和中间层 NiO₂ 面具有不同的化学环境，从而产生不同的磁结构、电子关联强度、电荷浓度，甚至超导配对强度，为超导电性的调控提供了更多可能性。这种结构也为理解层间耦合和电荷转移在高温超导形成中的作用提供了独特的平台。

三层镍氧化物相较于无限层和双层体系展现出更强大的反铁磁序，为理解自旋关联、自旋涨落与镍氧化物高温超导机理的关系提供了契机。自旋涨落被认为在铜氧化物的超导配对中扮演着至关重要的角色。

这项研究完善了 La4Ni3O10 体系在压力下的超导相图，阐明了电荷密度波/自旋密度波、超导、奇异金属行为和晶体结构相变在相图中的相互作用。研究表明，镍氧化物的超导现象可能与铜氧化物的层间耦合机制不同，为探索镍氧化物的超导电性提供了重要见解，并构建了研究自旋序-电荷序、平带结构、层间关联、奇异金属行为和高温超导电性之间复杂相互作用的重要材料平台。

未来，赵俊团队将持续关注高温超导领域的重大问题，探寻不同体系高温超导体的内在联系和机制，以期理解和发现性能更卓越的高温超导体。

何为超导和超导体？

超导现象是由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯于 1911 年首次发现。他将汞冷却至 4.15K，观察到汞的电阻降至零，并将此现象命名为超导性。此后，昂内斯和其他科学家陆续发现其他金属也具有超导特性。1935 年，伦敦兄弟提出了超导电性的电动力学理论……2019 年，德国马普所的 Eremets 团队又在氢化镧体系中实现了 250K 的临界温度，但需要极高的压强。

目前，超导材料的最高临界温度已达 203K。超导体是指在极低温下电阻突然降至零的材料。超导体不仅电阻为零，还具有完全抗磁性。超导体电阻转变为零的温度称为超导临界温度。

超导体已广泛应用于生活、科研和生产领域，如医院核磁共振成像、大科学装置和实验室的超导磁体等。特别是高温超导体开始得到应用，例如超导电磁感应加热可用于铝锭加工和电网限流器等。