从镍入手 高温超导迎来新希望

时隔37年，超导研究迎来新突破。

7月12日，国际学术期刊《自然》杂志刊登中山大学王猛教授团队主导的科学成果：首次发现液氮温区镍氧化物La_3Ni_2O_7超导体。这是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，也是首次在实验上发现一种镍氧化物在压力下实现液氮温区超导电性，将有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能，实现更广泛更大规模的产业化应用。

“尽管La_3Ni_2O_7的临界温度只是刚刚突破液氮温区，且需要借助高压，但该发现无疑为高温超导带来了新希望。”中国科学院物理研究所研究员罗会仟告诉科普时报记者，镍基材料中很可能出现更多的超导体，甚至是高温超导体。

超导基础研究的新突破

自1911年荷兰物理学家卡默林·昂尼斯发现超导现象以来，超导研究就成为物理领域长盛不衰的方向之一。

罗会仟说，超导材料具有绝对的零电阻和完全的抗磁性两大神奇特性，几乎在所有涉及电和磁的领域都有用武之地。

不过，由于超导应用受限于临界温度、临界磁场和临界电流密度这三个临界参数，所以超导材料必须在足够低的温度、不太高的磁场和不特别大的电流密度下才能实现超导电性。“临界温度则是超导应用的最大瓶颈，因为低温就意味着高昂的制冷成本。”罗会仟说。

为了更好地应用，科学家致力于寻找可以在更高温度实现超导的材料。1986年，荷兰科学家缪勒和柏诺兹首次发现铜氧化物超导材料。随后，中国等多国科学家将其超导温度提升到了液氮温区，即超过77开尔文（－196℃）。在很长一段时间内，铜氧化物体系独占鳌头，是破译高温超导密码的理想模型体系。

“氮气是自然界含量最多的气体，也是制冷介质最经济的选择之一。超过液氮温度意味着超导材料更容易获得所需的低温环境，也具有更大的应用潜力。”罗会仟解释。

科学家并没有满足于仅一种液氮温区的超导材料。在元素周期表中，镍紧挨在铜的旁边。在铜氧化物体系研究陷入瓶颈时，人们将目光投注于镍。这次，耗时3年半，王猛团队成功生长了镍氧化物La_3Ni_2O_7单晶，随后在实验上确定了此单晶材料能够在压力下实现超导。

终极目标是破解高温超导机理

在现有条件下，超导态只能在低温或非常高的压力下实现，成本较高且应用场景非常有限，这也激发了科学家寻找更高温度超导体的热情。

“这次发现有偶然性。”王猛回忆，在团队刚启动研究时，就直接把目标锁定在了镍氧化物。镍氧化物大概有90多种，最终选定了9种进行实验，最后发现La3Ni2O7单晶在压力下实现超导，转变温度达到液氮温区，高达80开尔文。

王猛介绍，这次发现高温超导的镍氧化物中，镍的价态为+2.5价，超出传统预期，其电子结构、磁性与铜氧化物完全不同。“通过比较研究，将有可能确定高温超导的关键因素，推动科学家破解高温超导机理，有望与计算机、AI技术等学科交叉后，设计、合成新的更多的高温超导材料，实现更加广泛的应用。”

“步步有偶然，步步有突破，最终意外地收获惊喜。”王猛这样看待自己的研究成果。“镍氧化物并不神秘，之前很多科学家也在做实验，但可能因为材料纯度、大气压强以及实验条件等原因，都没能得到我们发现的实验结果。”

王猛透露，目前La_3Ni_2O_7单晶还是在超过14吉帕的高压下出现高温超导电性，下一步将聚力寻找在常压下的液氮温区超导电性镍氧化物，在拓宽镍氧化物超导材料的实际应用场景上寻求突破。