本文來(lái)自微信公眾號(hào)：返樸 （ID：fanpu2019），作者：羅會(huì)仟
盡管 La3Ni2O7 的臨界溫度只是剛剛突破液氮溫區(qū)，且需要借助高壓，但該發(fā)現(xiàn)無(wú)疑為高溫超導(dǎo)帶來(lái)了新的希望 —— 鎳基材料中很可能出現(xiàn)更多的超導(dǎo)體，甚至是高溫超導(dǎo)體！
撰文 | 羅會(huì)仟（中國(guó)科學(xué)院物理研究所）
2023 年 7 月 12 日，Nature 重磅發(fā)布來(lái)自中國(guó)科學(xué)家的成果：發(fā)現(xiàn)鎳氧化物中壓力誘導(dǎo)的 80 K 左右超導(dǎo)電性（圖 1）[1]。時(shí)隔 36 年，科學(xué)家們終于在繼銅氧化物之后，發(fā)現(xiàn)了第二類突破液氮溫度（77 K）的非常規(guī)超導(dǎo)家族，為高溫超導(dǎo)機(jī)理和應(yīng)用研究點(diǎn)燃了新希望！
一、超導(dǎo)研究的三重“天花板”
自 1911 年荷蘭物理學(xué)家卡默林?昂尼斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái)，超導(dǎo)研究就成了物理領(lǐng)域長(zhǎng)盛不衰的方向之一。百余年來(lái)，人們對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象的深入探索，不僅持續(xù)推動(dòng)了材料科學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展和技術(shù)科學(xué)的不斷進(jìn)步，而且也讓我們對(duì)物質(zhì)中的各種相互作用有了更加深刻認(rèn)識(shí)，特別是關(guān)聯(lián)量子效應(yīng)的研究可能孕育出凝聚態(tài)物理研究的新范式 [2]。
超導(dǎo)材料具有絕對(duì)的零電阻和完全的抗磁性兩大神奇特性，其本質(zhì)是材料內(nèi)部巡游電子的宏觀量子凝聚態(tài)。正因如此，超導(dǎo)幾乎在所有涉及電和磁的領(lǐng)域都有用武之地。例如在強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用方面：有無(wú)損耗的超導(dǎo)電纜，高效率的超導(dǎo)限流器、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等，高場(chǎng)超導(dǎo)磁體是可控核聚變、核磁共振功能成像、高能粒子加速器等的核心技術(shù)，亦可用于高速磁懸浮列車、磁感應(yīng)加熱熔煉、污水處理、選礦等。在弱電弱磁方面：超導(dǎo)單光子探測(cè)器和超導(dǎo)量子干涉儀是量子精密測(cè)量的保障；超導(dǎo)微波和太赫茲器件可以提供高性能和高保密通訊；超導(dǎo)高頻諧振腔是粒子加速器的心臟；超導(dǎo)量子比特是高速量子計(jì)算機(jī)芯片的基本單元 [3]?？梢哉f(shuō)，在下一代科技革命中，超導(dǎo)材料必定是當(dāng)之無(wú)愧的明星之一（圖 2）。
然而，縱然超導(dǎo)應(yīng)用潛力巨大，在日常生活中我們并沒(méi)有隨處可見(jiàn)超導(dǎo)家用電器，在電網(wǎng)系統(tǒng)中超導(dǎo)的應(yīng)用僅限于示范工程，基礎(chǔ)科學(xué)和尖端科技中的超導(dǎo)應(yīng)用對(duì)老百姓來(lái)說(shuō)更是遙不可及。究其原因在于，目前發(fā)現(xiàn)的成千上萬(wàn)種超導(dǎo)材料，幾乎都“不太好用”！限制超導(dǎo)應(yīng)用的主要有三個(gè)臨界參數(shù)：臨界溫度、臨界磁場(chǎng)和臨界電流密度。也即超導(dǎo)材料并不是很理想，它們必須在足夠低的溫度、不太高的磁場(chǎng)和不特別大的電流密度下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，一旦突破某個(gè)臨界參數(shù)，材料有可能瞬間從零電阻變成有電阻的狀態(tài)，當(dāng)然就不好用了。三個(gè)臨界參數(shù)中后兩者決定了它的應(yīng)用場(chǎng)景范圍，而臨界溫度則是應(yīng)用的最大瓶頸，因?yàn)榈蜏鼐鸵馕吨甙旱闹评涑杀尽?/p>
超導(dǎo)體的臨界溫度到底有多低？第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體 —— 金屬汞的超導(dǎo)溫度是 4.2 K，相當(dāng)于約 -269 ℃，比冥王星的平均表面溫度還低。金屬單質(zhì)中常壓下最高超導(dǎo)溫度是鈮，也不過(guò) 9 K（-264 ℃）[4]。正是如此，科學(xué)家們?cè)诔瑢?dǎo)研究的 117 年里，一直在努力提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，其中有“三重天花板”是重點(diǎn)突破的目標(biāo)。
第一重天花板是 40 K（-233 ℃），又稱麥克米蘭極限。1957 年三位美國(guó)科學(xué)家巴丁、庫(kù)珀、施里弗提出金屬和合金超導(dǎo)體的微觀理論，后來(lái)以他們名字命名為 BCS 理論 [5]。該理論認(rèn)為，金屬材料中的電子可以借助原子晶格振動(dòng)產(chǎn)生的能量量子 ——“聲子”來(lái)實(shí)現(xiàn)兩兩配對(duì)，配對(duì)后的電子進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)相位相干并凝聚成一個(gè)宏觀整體，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了原子晶格的尺度，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗的電流?；?BCS 理論，Eliashberg 提出了基于強(qiáng)電聲子耦合的超導(dǎo)臨界溫度模型 [6]，McMillan（即麥克米蘭）進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到了超導(dǎo)臨界溫度與電聲子耦合強(qiáng)度的關(guān)系 [7]，Anderson 等人進(jìn)而推斷，在原子晶格不失穩(wěn)的狀態(tài)下，超導(dǎo)臨界溫度存在一個(gè) 40 K 的上限 [8]，后來(lái)被人們稱之為“麥克米蘭極限”。麥克米蘭極限實(shí)際上僅僅適用于常壓條件下基于電聲子耦合機(jī)制的超導(dǎo)體（又稱為“常規(guī)超導(dǎo)體”），如果施加高壓，原子晶格的穩(wěn)定性會(huì)大大提高，常規(guī)超導(dǎo)體的臨界溫度超越 40 K 是完全可能的；而如果不是電聲子耦合機(jī)制形成的超導(dǎo)電性，那么自然完全不必受限于 40 K，這些超導(dǎo)體被統(tǒng)稱為“非常規(guī)超導(dǎo)體”。有意思的是，在超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)的隨后 70 余年里，盡管有大量的常壓超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，麥克米蘭極限居然像一個(gè)難以打破的魔咒一樣，這第一道“天花板”一直難以突破（圖 3）[3]。
第二重天花板是液氮沸點(diǎn)，也即 77 K（-196 ℃）。常規(guī)超導(dǎo)體的臨界溫度往往都很低，常壓下大多數(shù)金屬合金超導(dǎo)溫度在 20 K 以下。這意味著，要使用超導(dǎo)材料，必須有足夠低的溫度環(huán)境。比如目前應(yīng)用最為廣泛的超導(dǎo)材料 Nb-Ti 和 Nb3Sn，就需要借助液氦來(lái)制冷。氦是稀有氣體且全世界的氦氣礦產(chǎn)資源極不均勻，制冷成本非常之高。如果超導(dǎo)臨界溫度突破液氮沸點(diǎn)（77 K），那么在液氮溫區(qū)里就可以使用，而氮?dú)庾鳛樽匀唤绾孔疃嗟臍怏w，用作制冷介質(zhì)是最經(jīng)濟(jì)的選擇之一。在常壓狀態(tài)下，突破液氮溫區(qū)的只能是非常規(guī)超導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈儾皇茺溈嗣滋m極限的約束。歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)非常規(guī)超導(dǎo)體是重費(fèi)米子材料 CeCu2Si2，臨界溫度僅為 0.5 K（1978 年）[9]。1986 年，瑞士的 Bednorz 和 Müller 在 La-Ba-Cu-O 體系發(fā)現(xiàn) 35 K 的超導(dǎo)電性 [10]。隨后的 1987 年初，來(lái)自中國(guó)的趙忠賢團(tuán)隊(duì)和美國(guó)朱經(jīng)武團(tuán)隊(duì)在 Y-Ba-Cu-O 體系發(fā)現(xiàn) 93 K 的超導(dǎo)電性 [11,12]，麥克米蘭極限和液氮溫度被同時(shí)突破！銅氧化物材料被認(rèn)為是“高溫超導(dǎo)體”，它們具有多個(gè)材料體系，如 La 系、Bi 系、Y 系、Hg 系、Tl 系等，都屬于非常規(guī)超導(dǎo)體 [13]。銅氧化物里常壓下最高超導(dǎo)溫度的是 Hg-Ba-Ca-Cu-O 體系，為 134 K，高壓下可進(jìn)一步提升到 165 K[14]。2008 年，第二個(gè)高溫超導(dǎo)家族 —— 鐵基超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，主要包括 Fe-As 基、Fe-Se 基和 Fe-S 基等幾類化合物 [15]。同樣是中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料可以突破麥克米蘭極限，F(xiàn)e-As 基塊體最高超導(dǎo)溫度可達(dá) 55 K，F(xiàn)eSe 單層薄膜超導(dǎo)溫度可達(dá) 65 K，均屬于非常規(guī)超導(dǎo)體 [16]。然而，盡管鐵基超導(dǎo)家族的材料體系要遠(yuǎn)比銅氧化物多，但鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度至今未能突破液氮溫度（圖 4）[3]。
第三重天花板是室溫，在凝聚態(tài)物理學(xué)中室溫一般定義為 300 K（27 ℃）。毫無(wú)疑問(wèn)，如果超導(dǎo)臨界溫度可以突破室溫，那么在實(shí)際應(yīng)用中就可以不存在制冷成本，超導(dǎo)材料的大規(guī)模應(yīng)用也就掃清了最大的障礙。然而理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感，目前發(fā)現(xiàn)的常壓超導(dǎo)材料最高臨界溫度的記錄依舊是 Hg-Ba-Ca-Cu-O 體系，即 134 K。不過(guò)，科學(xué)家們?cè)诙嗄甑难芯堪l(fā)現(xiàn)，高壓是提升超導(dǎo)臨界溫度的“制勝法寶”之一，例如一些非金屬單質(zhì)在常壓下不超導(dǎo)，高壓下就能變成超導(dǎo)體 [17]；而已有的金屬單質(zhì)超導(dǎo)溫度可以在壓力下進(jìn)一步提升，其中最近發(fā)現(xiàn)的鈧在高壓下臨界溫度為 36 K，是單質(zhì)元素超導(dǎo)體最高的 [18]。理論預(yù)言，氫單質(zhì)在高壓下如能實(shí)現(xiàn)金屬化，那么它依賴于強(qiáng)大的聲子振動(dòng)和電聲耦合，就有可能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。2015 年，H3S 中發(fā)現(xiàn) 202 K 的高壓超導(dǎo)電性，開(kāi)啟了人們探索高壓氫化物室溫超導(dǎo)的征程 [19]。隨后在一系列的金屬氫化物（如 LaH10、YH6、ThH10、SnH12、CaH6 等）中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，不過(guò)都依賴于百萬(wàn)級(jí)大氣壓（100 GPa 以上）的高壓條件 [20]，如此苛刻的條件顯然不會(huì)有太大的應(yīng)用價(jià)值。2020 年，美國(guó)的 Dias 團(tuán)隊(duì)宣稱在 C-S-H 三元體系實(shí)現(xiàn) 267 GPa 下的 288 K“室溫超導(dǎo)”，后來(lái)經(jīng)受不住同行的廣泛質(zhì)疑，論文在 2022 年底被撤稿 [21]。2023 年 3 月，Dias 團(tuán)隊(duì)再次宣稱在 Lu-N-H 三元體系實(shí)現(xiàn) 1 GPa 下的 294 K “近常壓室溫超導(dǎo)” [22]，然而卻遭到科學(xué)家普遍質(zhì)疑，觀測(cè)到的所謂室溫超導(dǎo)很可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)量有問(wèn)題以及數(shù)據(jù)分析有錯(cuò)誤 [23-26]。所以，即使用上高壓這個(gè)利器，室溫超導(dǎo)的天花板依舊存在，而常壓室溫超導(dǎo)，仍是超導(dǎo)領(lǐng)域至今未能拿下的“圣杯”（圖 5）。
二、高溫超導(dǎo)研究的困境
既然常壓下能突破液氮溫區(qū)的超導(dǎo)體只有銅氧化物，那么是否可以理解其微觀機(jī)理后幫助我們尋找到更高溫度的超導(dǎo)體？又是否可以因?yàn)橹评涑杀镜慕档投鴮?shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用？
事實(shí)卻是比較悲觀的。不只是銅氧化物，包括鐵基超導(dǎo)體和重費(fèi)米子超導(dǎo)體在內(nèi)的非常規(guī)超導(dǎo)材料的微觀機(jī)理，至今是凝聚態(tài)物理的“老大難”問(wèn)題。難度體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的復(fù)雜多變，甚至超出了現(xiàn)有理論框架，特別是需要考慮所謂的“強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子”效應(yīng)，即電子-電子之間的相互作用不能簡(jiǎn)單忽略或近似考慮，磁性和電性相互作用同等重要。舉例來(lái)說(shuō)，常規(guī)超導(dǎo)體的能隙函數(shù)一般是各向同性的 s 波，但是到了銅氧化物超導(dǎo)體就是各向異性的 d 波，兩者截然不同。鐵基超導(dǎo)的多材料體系，或許是揭開(kāi)高溫超導(dǎo)機(jī)理的重要橋梁，因?yàn)殍F基超導(dǎo)的能隙函數(shù)是 s± 波為主，介于銅氧化物和常規(guī)超導(dǎo)體兩者之間，在物理和化學(xué)性質(zhì)上亦是如此（圖 6）[3]。高溫超導(dǎo)微觀機(jī)理的解決，最終必須依賴于多體量子理論的發(fā)展和完善，也即所謂建立凝聚態(tài)物理的“新范式”。
那么，究竟是什么限制了高溫超導(dǎo)材料的規(guī)?；瘧?yīng)用呢？并不是所有的銅氧化物超導(dǎo)體都能突破 77 K，甚至有不少體系都低于 40 K，只是因?yàn)樗鼈兺瑢巽~氧化物家族，都統(tǒng)稱為“高溫超導(dǎo)體”而已。77 K 以上的超導(dǎo)體系僅有 Bi 系、Y 系、Tl 系和 Hg 系，后兩者因?yàn)?Hg 和 Tl 都是劇毒元素，對(duì)空氣極度敏感，且結(jié)構(gòu)成分多變，不能真正產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。如此，就剩下了 Bi 系和 Y 系，但作為過(guò)渡金屬氧化物，它們天然就比較易碎，直接制備金屬合金那樣的線材是不可能的?？茖W(xué)家們就發(fā)明了粉末套管法、脈沖沉積法、化學(xué)鍍膜法等，借助金屬套管和基片的柔韌性來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。只是，一個(gè)方法的引入，必然帶來(lái)更多的新問(wèn)題，讓大家一通焦頭爛額。三十余年過(guò)去了，如今 ReBaCuO 體系的高溫超導(dǎo)帶材才勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn) [27]。
正是因?yàn)殂~氧化物超導(dǎo)材料的“中看不中用”，科學(xué)家們才不斷努力去搜尋新的高溫超導(dǎo)材料，鐵基超導(dǎo)體因此被發(fā)現(xiàn)。鐵基超導(dǎo)體中 Fe-Se 和 Fe-S 家族的臨界溫度較低，且臨界電流密度不高，不適合強(qiáng)電應(yīng)用。Fe-As 體系雖然可以達(dá)到 30-55 K 的臨界溫度，但也因?yàn)楹?As 存在毒性，含 Na、K、Ca、Sr、Ba 等堿金屬或堿土金屬，對(duì)材料的制備過(guò)程提出了更加嚴(yán)苛的要求。鐵基超導(dǎo)體線帶材的研究目前還處于初級(jí)階段，載流能力有待進(jìn)一步提升，生產(chǎn)能力也僅限于百米級(jí)別（圖 7）[28]。
在高場(chǎng)應(yīng)用情況下，非常規(guī)超導(dǎo)材料是最佳候選。因?yàn)槌Ｒ?guī)超導(dǎo)體如 Nb-Ti、Nb3Sn 和 MgB2 等的臨界磁場(chǎng)不高（均 < 25 T），磁場(chǎng)升高又會(huì)迅速抑制臨界電流密度和臨界溫度。銅氧化物和鐵基等超導(dǎo)體材料則可以在很高的磁場(chǎng)下（< 40 T）保持良好的載流性能（圖 7）。為此，尋找更多的高臨界溫度非常規(guī)超導(dǎo)體，是超導(dǎo)走向大規(guī)模應(yīng)用的出路之一。
一個(gè)簡(jiǎn)單的想法是，在過(guò)渡金屬化合物中，除了銅基和鐵基材料具有非常規(guī)超導(dǎo)電性之外，其他元素為主的超導(dǎo)體也有可能嗎？確實(shí)可以！2014 年，第一個(gè) Cr 基超導(dǎo)體 CrAs 被中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，臨界溫度為 2 K （壓力為 8 kbar）[29]；次年，第一個(gè) Mn 基超導(dǎo)體 MnP 被中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，臨界溫度為 1 K （壓力為 8 GPa）[30]。隨后，諸如 K2Cr3As3、KCr3As3、KMn6Bi5 等相關(guān)超導(dǎo)體也被發(fā)現(xiàn) [31-33]，而 Ti 基超導(dǎo)體則在 Ba1?xNaxTi2Sb2O 中被發(fā)現(xiàn) [34]。2022 年，一類具有籠目結(jié)構(gòu)的 V 基超導(dǎo)體 AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) 被發(fā)現(xiàn) [35]。位于 Cu 和 Fe 之間的 Co 和 Ni，也期待發(fā)現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)家族（圖 8）。
三、鎳氧化物超導(dǎo)帶來(lái)新希望
早在上世紀(jì) 80 年，Bednorz 和 Müller 在搜尋氧化物中超導(dǎo)電性的時(shí)候，就注意到了 SrFeO3 和 LaNiO3 兩個(gè)材料，因?yàn)樗鼈冇锌赡艹霈F(xiàn)金屬導(dǎo)電性，不是傳統(tǒng)的絕緣體 [36,3]。受限于當(dāng)時(shí)的材料制備條件，他們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)首個(gè)鐵基或鎳基超導(dǎo)體，而是轉(zhuǎn)戰(zhàn)到了銅基材料。2019 年，美國(guó)的 Hwang 團(tuán)隊(duì)在 Nd0.8Sr0.2NiO2 薄膜樣品實(shí)現(xiàn) 15 K 左右的超導(dǎo)電性。第一個(gè)鎳基超導(dǎo)體被定格為 LnNiO2（Ln 為稀土元素），和當(dāng)年尋找的 LaNiO3 相比，少了一個(gè) O[37]。
尋找鎳基超導(dǎo)體的思路，正是銅氧化物高溫超導(dǎo)多年研究帶來(lái)的啟示。人們認(rèn)為，如果在鎳氧化物中實(shí)現(xiàn) + 1 價(jià)的 Ni，就與 + 2 價(jià)的銅電子排布類似，也有可能找到非常規(guī)超導(dǎo)電性，甚至復(fù)現(xiàn)諸如 d 波能隙等一些復(fù)雜的電子態(tài)行為（圖 9）[38]。可問(wèn)題在于，LnNiO2 的結(jié)構(gòu)是亞穩(wěn)態(tài)，很難直接獲得單晶樣品。所以，研究人員是從 Nd0.8Sr0.2NiO3 出發(fā)制備薄膜樣品的，并借助 CaH2 來(lái)還原 Ni 的價(jià)態(tài)，從不超導(dǎo)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)變成了無(wú)限層結(jié)構(gòu)的 Nd0.8Sr0.2NiO2 超導(dǎo)體。這個(gè)“還原過(guò)程”的訣竅，一時(shí)間沒(méi)有被領(lǐng)域內(nèi)科學(xué)家掌握，導(dǎo)致樣品的可重復(fù)性很差。加上臨界溫度并不高，鎳基超導(dǎo)在起初引起了很多理論學(xué)家的關(guān)注，國(guó)際上卻沒(méi)有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)愿意及時(shí)跟進(jìn)。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn) CaH2 還原過(guò)程還有一個(gè)“看不見(jiàn)的手”，就是 H 元素很可能進(jìn)入到了材料內(nèi)部，并有效降低了 Ni 和 Nd 的軌道耦合，實(shí)現(xiàn)了 d 波超導(dǎo)，只有在特定的 H 含量情況下，超導(dǎo)才容易出現(xiàn)（圖 10）[39]。這雖然與金屬氫化物高壓超導(dǎo)并不相關(guān)，卻也有殊途同歸的味道。鎳基超導(dǎo)體具有類似銅氧化物中的 d 波配對(duì)成分，較強(qiáng)的自旋漲落和色散，相似的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)等，所以被認(rèn)為是銅氧化物超導(dǎo)微觀機(jī)理研究最佳參照體系。
Ni 基氧化物薄膜材料在高壓下還可以進(jìn)一步提升臨界溫度，從 15 K 逐步提升到了 30 K 以上（壓力為 12 GPa），且尚未飽和。只是在 LnNiO2 體系一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)單晶或塊體的超導(dǎo)，而薄膜超導(dǎo)樣品也僅有少數(shù)幾個(gè)研究組可以獲得。人們寄希望于高壓下的其他鎳氧化物材料來(lái)尋找非常規(guī)超導(dǎo)電性，如 La2NiO4、La3Ni2O7、La4Ni3O10 等結(jié)構(gòu)體系。其中 La3Ni2O7 體系中 Ni 的平均價(jià)態(tài)為 + 2.5，和期待中的 + 1 價(jià)有一定的差距，起初并不被人看好 [40]。2023 年 7 月 12 日，來(lái)自中山大學(xué)物理學(xué)院王猛教授團(tuán)隊(duì)及其合作者在 Nature 發(fā)表論文，宣布在 La3Ni2O7 單晶樣品中發(fā)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)的約 80 K 超導(dǎo)電性（壓力為 14 GPa），鎳基超導(dǎo)研究終于取得了新的突破（圖 11）[1]！La3Ni2O7 材料在常壓低溫為絕緣體，隨著壓力的增加，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)并伴隨著一個(gè)結(jié)構(gòu)相變，形成了類似銅氧化物中八面體的結(jié)構(gòu)，但細(xì)節(jié)又有所不同。研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到了 78 – 80 K 的電阻 onset 轉(zhuǎn)變溫度，和 77 K 的磁化率下降溫度，以及對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)抑制超導(dǎo)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和正常態(tài)的線性電阻行為（圖 12）。理論分析說(shuō)明，Ni 離子的 + 2.5 價(jià)發(fā)揮了獨(dú)特的作用，它的兩個(gè)不同 d 軌道分別影響 c 方向和 ab 面內(nèi)的關(guān)聯(lián)電子態(tài)，實(shí)現(xiàn)了非常規(guī)超導(dǎo)電性。從這個(gè)角度來(lái)看，鎳基超導(dǎo)體與多軌道的鐵基超導(dǎo)體，又有異曲同工之妙！
盡管 La3Ni2O7 的臨界溫度只是剛剛突破液氮溫區(qū)，且需要借助高壓，但該發(fā)現(xiàn)無(wú)疑為高溫超導(dǎo)帶來(lái)了新的希望 —— 鎳基材料中很可能出現(xiàn)更多的超導(dǎo)體，甚至是高溫超導(dǎo)體！經(jīng)過(guò)銅氧化物超導(dǎo)體領(lǐng)域 37 年的研究，和鐵基超導(dǎo)體 15 年的研究，科學(xué)家們?cè)缫逊e累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和深刻的認(rèn)識(shí)，在鎳基超導(dǎo)的助力下，高溫超導(dǎo)機(jī)理之謎的破解將加速進(jìn)程。
的確，在超導(dǎo)研究歷史上，驚喜總是“意料之外”又“情理之中”。雖然有“三重天花板”顯得困難重重，卻沒(méi)有任何一層天花板能夠阻擋科學(xué)家們勇敢無(wú)畏的探索腳步（圖 13）。我們相信未來(lái)一定會(huì)有更多的新超導(dǎo)材料出現(xiàn)，它們或許有再度沖破臨界溫度天花板的實(shí)力，或許有更適合規(guī)模化應(yīng)用的綜合臨界參數(shù)，或許有更多尚未發(fā)現(xiàn)的物理機(jī)制。
希望大家可以多讀讀超導(dǎo)相關(guān)書籍，感受超導(dǎo)的永恒魅力！
參考文獻(xiàn)
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06408-7
[2] Zhou X et al., Nat. Rev. Phys. 2021, 3: 462.
[3] 羅會(huì)仟 著，《超導(dǎo)“小時(shí)代”—— 超導(dǎo)的前世、今生和未來(lái)》(清華大學(xué)出版社 2022).
[4] van Delft D and Kes P. Physics Today 2010, 63(9): 38.
[5] Bardeen J, Cooper L N, Schrieffer J R. Phys. Rev. 1957, 106 (1): 162.ibid, 108 (5): 1175.
[6] Eliashberg G M. Sov. Phys. JETP,1960, 11(13):696.
[7] McMillan W L and Rowell J M. Phys. Rev. Lett.,1965, 14: 108.
[8] Anderson PW., National Academy of Sciences. Biographical Memoirs V.81. Washington, DC: The National Academies Press, 2002.
[9] Steglich F et al. Phys. Rev. Lett., 1979,43:1892.
[10] Bednorz J G and Müller K A. Z. Phys. B, 1986, 64: 189.
[11] 趙忠賢等.科學(xué)通報(bào)，1987，32: 412-414.
[12] Wu M K et al. Phys. Rev. Lett., 1987, 58:908.
[13] Cava R J. J. Am. Ceram. Soc., 2000, 83(1):5.
[14] Schrieffer J R, Brooks J S. Handbook of High-Temperature Superconductivity, Springer, 2007.
[15] Chen X. et al., Nat. Sci. Rev. 2014, 1: 371.
[16] Liu X. et al., J. Phys.: Condens. Matter 2015, 27:183201.
[17] Lorenz B and Chu C W. High Pressure Effects on Superconductivity, Frontiers in Superconducting Materials, A. V. Narlikar (Ed.), Springer Berlin Heidelberg 2005, p459.
[18] Ying J. et al., Phys. Rev. Lett. 2023, 130: 256002.
[19] Drozdov A P et al. Nature, 2015, 525:73.
[20] Zhong X et al., The Innovation 2022, 3(2): 100226.
[21] E. Snider et al., Nature 2020, 586: 373.
[22] N. Dasenbrock-Gammon et al., Nature 2023, 615: 244.
[23] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06162-w
[24] Xing X. et al. arXiv: 2303.17587.
[25] Peng D. et al., arXiv: 2307.00201.
[26] Xie F. et al., Chin. Phys. Lett.2023, 40: 057401.
[27] MacManus-Driscoll J. L. and Wimbush S. C. Nat. Rev. Mater.2021, 6: 587.
[28] Hosono H et al. Mater. Today, 2018, 21: 278.
[29] Wu. W et al., Nat. Commun.2014, 5: 5508.
[30] Cheng J. G. et al., Phys. Rev. Lett. 2015, 114: 117001.
[31] Bao J. K. et al., Phys. Rev. X 2015, 5: 011013.
[32] Mu Q. G. et al., Phys. Rev. B 2017, 96: 140504.
[33] Liu Z. Y. et al., Phys. Rev. Lett.2022, 128: 187001.
[34] Yajima T. et al., J. Phys. Soc. Jpn. 2012, 81: 103706.
[35] Ortiz, B. R. et al., Phys. Rev. Materials 2019, 3:094407.
[36] Goodenough J.B., Longo M., Crystal and solid state physics, Springer-Verlag, 1970.
[37] Li D. et al., Nature 2019, 572: 624.
[38] Gu Q，Wen H H. ,The Innovation, 2022，3(1)：100202.
[39] Ding X. et al., Nature 2023, 615: 50.
[40] Liu Z. et al., Sci. China-Phys. Mech. Astron.2023, 66: 217411.
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