2025科學大賞 中國破解鎳基超導密碼！高溫超導世紀難題迎突破【2025科學大賞 物理篇 No.2】

想象這樣一個世界,電力在傳輸中不再有絲毫損耗,縱橫交錯的電網變得安靜而高效,磁懸浮列車以近乎音速在城市間無聲穿梭,量子計算機擺脫了極端低溫的束縛,走入尋常實驗室,這一切科幻般的圖景,都指向同一個科學聖碑,室溫長壓超導體,超導,這個發現已於百年的物理奇蹟,以其兩大神奇特性震撼世界,零電阻與完全抗磁性。 前者意味着電流可以永無止境地流動而不損耗分毫能量,後者則讓物體懸浮空中成爲可能。 然而,這份奇蹟一直帶着沉重的枷鎖,極低的溫度,從1911年荷蘭物理學家海克·卡莫·林昂內斯將汞冷卻至4.2開爾文,並首次觀察到電阻消失起,超導便被囚禁在接近絕對零度的極寒王國中,此後的七十餘年。 儘管科學家們發現了數千種超導材料,但它們無一例外都需要昂貴的液氦來維持其神奇狀態,這極大的限制了其實用化前景。 轉機出現在1986年,IBM蘇黎世實驗室的卡爾·亞利山大米勒和約翰·內斯·貝德諾爾茨發現了一種同氧化物陶瓷材料,其超導轉變溫度竟然達到了35開,這一溫度雖然仍很低,卻首次突破了當時理論預言的麥克米蘭極限,物理學界瞬間沸騰。 緊接着在1987年,朱金武、吳茂坤等團隊將這一記錄提升至90開以上,一舉超越了液氦的廢點,液氦的成本僅爲液氦的幾十分之一,這使得大規模應用從夢想照進現實邊緣。 那一年美國物理學會的年會現場人潮洶湧,被媒體稱爲物理學的伍德斯托克,科學家們徹夜不眠地討論着這一足以改變世界的突破。 然而,近40年過去,當初的狂熱逐漸沉澱爲一種複雜的清醒。 同樣化物高溫超導體雖然將臨界溫度記錄推升至長壓下的135開,高壓下甚至超過150開,但它爲我們留下了兩道更深的謎題,第一道是理解的迷霧。 1957年約翰·巴丁,利昂·庫珀和約翰·施利弗提出的BCS理論完美解釋了傳統低溫超導,電子通過引發晶格振動相互吸引,結成庫珀隊,從而像一支步伐統一的軍隊,無阻力地穿越晶格,但同樣化物中的電子相互作用極其強烈,完全不符合BCS理論的框架。 儘管提出了自旋掌握,電荷條紋等多種理論模型,但高溫超導的微觀機制至今仍是凝聚態物理最深的謎題之一。第二道枷鎖則更爲現實,高壓。科學家們發現,許多有望刷新記錄的新材料,往往只在極端高壓下才展現超導特性,例如,一些負氫化合物需要數百萬個大氣壓才能在接近室溫的溫度下超導。 這些材料如同被封印在高壓水晶棺中,雖展現出驚世之美,卻與現實應用隔絕。於是,一個根本性問題擺在所有追尋聖碑的科學家面前,高溫超導是否註定於不可理解和極端高壓捆綁? 我們能否找到一種新材料,既能指點我們破解機制迷思,又能在我們日常呼吸的長壓下工作?這個問題的答案,或許就藏在元素週期表上,同的左側鄰居。 涅的身上,這條探尋之路,交織着理論的精妙推演,材料的艱難合成,屢屢受挫的爭議與柳暗花明的突破,構成了一部波瀾壯闊的科學史詩。要理解涅基超導爲何被寄予厚望,我們必須先回顧人類對超導原理的認知是如何一步步深化的。 BCS理論的偉大在於它描繪了一幅清晰而優美的圖像,在低溫下,兩個自旋相反的電子通過交換生子產生微弱的吸引力,形成酷破隊,所有酷破隊會凝聚到同一個量子態,像一個宏觀的量子物體一樣運動,從而引發超導。 這個理論預言了超導的許多性質,並指出超導臨界溫度存在一個上限,即麥克米蘭極限,大約爲40開,在很長一段時間裏,這被認爲是超導溫度的天花板。 同氧化物的出現徹底打破了這一天花板,也顛覆了理論家的認知,科學家們意識到,他們面對的是一個全新的,被稱爲非常規超導的世界,在這裏,電子間的關聯異常強烈,傳統金屬的圖像完全失效。 研究者們開始將目光投向超導態之上的正常態,試圖從那裏找到線索,他們發現,在同氧化物中,當溫度高於臨界溫度時,其電阻率與溫度呈簡單的線性關係,這與普通金屬的電阻率隨溫度平方變化的規律截然不同。 這種古怪的行爲被賦予了一個恰如其分的名字——奇異金屬。奇異金屬成爲了破解高溫超導機制的關鍵線索,越來越多的證據表明,奇異金屬態與超導態之間存在着深刻的聯繫,前者很可能是孕育後者的母體。 然而,要在複雜的同氧化物體系中精確提煉出兩者之間的定量規律,猶如大海撈針,實驗科學家們長期受困於材料合成的難度,同氧化物超導向通常很窄,傳統方法一次只能製備一個固定組分的樣品,獲得的數據點稀疏且精度有限。 轉機出現在材料研究新範式的引入,以中國科學院物理研究所金魁團隊爲代表的研究者,將材料基因工程的理念引入高溫超導研究,他們發展出連續組分外延薄膜與匹配的跨尺度表徵技術,就像在芯片上製造集成電路一樣,在一塊小小的襯底上一次性生長出具有連續化學組分梯度的高質量薄膜。 這項被審稿人譽爲絕技的技術,使得快速、高精度地掃描整個超導向圖成爲可能。通過這種高通量方法,團隊在數月內積累了過去需要數十年才能獲得的數據量,並首次發現了跨越不同非常規超導體系的普適定量規律,奇異金屬的散射率與超導轉變溫度的平方根成正比。 這一發現首次在雜亂的現象中抓住了清晰的標度率,表明奇異金屬的強烈漲落很可能是驅動非常規超導配對的核心力量。它爲理解高溫超導機裏提供了全新的實驗基石,也讓我們明白,探索新超導體不僅是爲了更高的溫度,更是爲了尋找檢驗這一普適規律,最終揭開謎底的關鍵拼圖。 就在科學家們從銅基、鐵基等非常規超導體中艱難地梳理理論脈絡時,另一條看似更爲直接的道路吸引了全世界的目光,利用高壓在負氫材料中實現室溫超導。這條路徑的源頭可以追溯到1935年,當時尤金維格納和希拉德·亨廷頓從理論上預言,在極高的壓力下氫分子會被壓垮,變成具有金屬特性的原子氫。 1968年,理論物理學家尼爾·阿什克羅夫特進一步提出,這種金屬氫可能是室溫超導體。然而,實現數百萬個大氣壓並穩定維持金屬氫,在實驗上是巨大的挑戰。於是,聰明的科學家們想到了化學預壓的策略,用較大的原子與氫結合,形成籠狀結構,讓這些原子像籠子一樣從內部擠壓氫原子。 從而在相對較低的外部壓力下,誘導出類似金屬氫的高溫超導特性。這條路徑在21世紀第二個十年引來了爆發。2015年,德國馬甫索的科學家發現硫化氫在150萬個大氣壓下實現了203K的超導。2019年,氫化欄在170萬個大氣壓下將臨界溫度提升至250K,每一次突破都引發轟動,似乎室溫超導觸手可及。 然而,這條道路的高潮與爭議都集中在一個名字上——南加迪亞斯。2020年,時任羅切斯特大學助理教授的迪亞斯團隊在《自然》雜誌發表封面文章,宣稱在碳硫氫體系中,於267萬個大氣壓下實現了288K的室溫超導,全球科學界爲之震動,但很快,至一升四起。 以物理學家豪爾赫赫西爲首的批評者指出,其論文中的磁化粒數據異常完美,疑似經過人爲處理,要求公開原始數據的呼聲被以專利保密爲由拒絕,使得爭議愈演愈烈。最終,《自然》雜誌於2022年9月撤回了這篇論文,這並非迪亞斯首次陷入爭議,其早在2017年關於金屬氫的論文也因樣品意外丟失而無法被重複。 2023年3月,迪亞斯團隊再次宣稱在一種乳氮氫材料中實現了近常壓下的室溫超導,但全球多個頂級實驗室,包括南京大學文海虎團隊和中科院物理所團隊,迅速開展驗證實驗,均未觀察到超導現象,中國團隊以嚴謹的數據證實,該材料在高壓下僅存在70億開的超導,與室溫相去甚遠。 這一系列事件深刻地教育了科學界,室溫超導的宣稱需要經受住最苛刻的檢驗。高壓負氫路徑雖然展示了BCS理論框架內實現高溫乃至室溫超導的可能性,但其百萬大氣壓的極端條件本身就成了應用不可逾越的鴻溝,即使未來實現,如何將這樣的壓力施加到千米長的電纜或大型磁體上依然是無法想象的工程難題。 此外,這些材料往往依賴於稀土等稀有元素,大規模應用存在資源瓶頸。更關鍵的是,這些研究仍在BCS理論的延伸範疇內,對於解決同樣化物遺留的非常規超導機理之一核心科學難題,推動作用有限,科學家們意識到必須尋找新的材料平臺,它既要能在更溫和、更實用的條件下實現高溫超導,又要能爲我們理解那最本質的物理規律提供新的視角。 於是,全世界的目光再一次投向了那個熟悉的鄰居——鎳。元素週期表是一部自然的交響樂,相鄰元素常如兄弟般有着相似的性情——鎳錦鈴銅,它們最外層的電子排布相似。 自同樣化物掀起風暴之初,科學家們就自然而然地想到,這個孿生兄弟會不會也藏着超導的密碼?然而,早期的嘗試遭遇了當頭冷水,與同樣化物中著名的母體化合物二蘭酮四氧化物對應,科學家合成了二蘭涅四氧化物,結果卻大相徑庭,無論怎麼摻雜,它始終是個絕緣體,甚至是個反鐵磁絕緣體。 這就像一個與冠軍兄弟長相酷似的雙胞胎,卻在體能測試中屢屢失敗。涅似乎缺少了某種關鍵的超導基因,問題的核心在於電子軌道的微妙差異,在關鍵的低軌道電子配置上,同基超導體的母體通常是第九構型,而相應的涅化合物往往是第八構型。 導致了晶體廠中能級分裂的不同,使得涅離子更傾向於牢牢鎖住自己的電子,而非讓它們在晶格中自由穿梭形成超導所需的尋遊性。因此,在很長一段時間裏,涅氧化物被認爲是高溫超導研究的陪跑者,轉機需要一種革命性的合成思路和對材料基因進行精準編輯的能力。 時間來到2019年,美國斯坦福大學的團隊在《自然》雜誌投下了一枚重磅炸彈,它們成功製備出一種名爲無限層涅酸鹽的丹精薄膜,化學式爲這一堆,並震驚地發現它在10-15K的溫度下表現出了超導電性。 這一突破的關鍵在於兩把分子手術刀,第一把刀是拓撲化學還原法,它們先生長出前驅體薄膜,然後在純氫氣流中低溫退火,像抽走積木一樣逐層抽走氧原子,使結構從三維塌縮成二維的無限層結構。 這與銅基超導體的核心結構一模一樣,第二把刀是化學摻雜,用二架的絲替代部分三架的鋁,向系統注入空穴再留子。 2019年的發現,首次證明了涅基氧化物可以實現超導,打破了數十年的成見。 然而,興奮之餘,疑雲再起,這個初代涅基超導體的臨界溫度遠低於最好的銅基材料,它的合成條件極爲苛刻。 最關鍵的是,理論計算和實驗都暗示,薄膜內部存在的巨大張引力可能是誘導其超導的關鍵。 這難道意味着,涅基超導仍然無法擺脫高壓的幽靈,只是一個在引力僞裝下的更脆弱的模仿者嗎? 就在人們爭論不休時,一支未曾預料的騎兵從另一條戰線上悄然逼近。 如果說無限層涅酸鹽是向銅基結構致敬的復刻品,那麼2023年橫空出世的具有層狀鈣鈣礦結構的向雙層涅酸鹽則是涅基家族中更具個性,也可能更具潛力的原生力量。 它的化學試是藍涅氣氧化物。 2023年,中國科學院物理研究所等團隊率先報道,在約14.5萬倍大氣壓以上,藍涅氣氧化物單晶的電阻在巴士開附近陡然降至0。 隨後的磁場實驗證實了這是真正的超導轉變,巴士開的臨界溫度已經與許多實用化的銅基超導材料旗鼓相當。 它證明涅基家族完全有潛力擊勝高溫超導俱樂部的一線陣營。 然而,輝煌的成績單上,那個高壓的印章依然刺眼,一個緊迫而核心的問題擺在了全世界物理學家面前。 高壓對於藍涅氣氧化物而言,究竟是一把打開其超導潛能的必備鑰匙,還是一座將其天賦囚禁的臨時牢籠? 我們能否在長壓下,復現甚至優化這種高超導能力?科學的攻堅戰進入了最激動人心的階段——破壁之戰。 科學攻堅的號角就此吹響,全球多個團隊開始從不同角度圍攻高壓依賴這一難題。 高壓的本質是通過壓縮晶格,改變原子間距來調控電子結構。 那麼,如果能在長壓下通過化學方法模擬出高壓的效果,就有可能實現長壓超導。 這條路徑被稱爲化學壓力或內秉應變工程。 中國的研究團隊在這一征程中,憑藉深厚的材料科學積累和創新思維,扮演了關鍵角色。 山東大學張俊傑、陶旭棠教授聯合多個國家頂尖團隊,取得了一系列根本性突破。 他們的研究直指鎳基超導的兩大核心瓶頸。 其一,高質量單晶的製備嚴重依賴高壓設備,成本高,難度大。 其二,臨界溫度長期徘徊在80K左右,難以提升。 研究團隊首創了長壓注溶劑法,以碳酸鉀爲注溶劑,在長壓環境下就像烹飪晶體一樣, 成功生長出了多種稀土元素化合的藍鎳氧化物系列高質量單晶。 這一方法不僅打破了高壓制備的魔咒,顯著降低了成本,更重要的是獲得了成分均勻,晶體質量極高的樣品, 爲精密物理研究提供了前所未有的平臺,擁有了優質的材料。 團隊開始探尋提升臨界溫度的鑰匙,他們系統研究了不同稀土元素替代,化學摻雜和氧含量對超導的影響, 並有一個里程碑式的發現,晶格的面內積變程度與超導轉變溫度呈現明確的正相關關係積變越大,臨界溫度越高。 這一規律的發現,爲理性設計更高臨界溫度的鎳基超導體提供了清晰的地圖。 基於此,他們通過精細的化學設計,在氣氧化二鎳、鯊二藍等材料中,將鎳基超導的臨界溫度記錄一舉提升至96開。 這裏特別說明一下,山摻雜還是要高壓誘發超導性,這一配型的基本都是長壓制被高壓誘導出超導。 這裏提到是爲了說明研究方向是多元化的,這是鎳基超導研究領域的重大飛躍,證明了通過化學調控完全可以在不依賴極端外部高壓的情況下顯著提升其超導性能。 與此同時,國內其他團隊也在薄膜、摻雜等領域取得重要進展,有團隊通過在不同襯底上外延生長薄膜,利用晶格適配產生可控的內置硬粒廠。 在長壓下觀察到了超導漲落的跡象,這些接踵而至的進展共同傳遞出一個清晰的信號,鎳基高溫超導與長壓環境之間並沒有不可逾越的鴻溝。 從依賴外部極端高壓,到通過內部化學設計在長壓下實現並優化超導,這是從0到1的根本性跨越,也爲未來的實用化鋪平了道路。 如果我們把追尋高溫超導機制比作偵破一起事蹟懸案,那麼同樣化物就是第一案發現場,現場線索堆積如山,卻紛繁複雜,相互矛盾。 但始終無法指認同一個兇手,現在,鎳基超導體的出現,相當於在城市的另一個街區,發生了一起高度相似卻又存在關鍵差異的連環案。 兩位受害者有着相似的社會關係,相似的家庭背景,甚至出現了相似的受害跡象。 有一些決定性的不同細節,正是這些同與不同,讓科學家們如獲至寶,比較研究,成了破解懸案最有力的武器。 鎳基超導,其價值遠不止於可能提供一個更高臨界溫度的材料選項,更在於它爲我們提供了一個近乎完美的對比實驗樣本,迫使我們重新審視那些關於高溫超導的固有認知,軌道角色從獨奏到二重唱。 在同樣化物中,其主導作用的通常是同的一個軌道,物理圖像相對簡潔,而在鎳基材料中,多個軌道可能同時活躍並強烈耦合。 這就像從單一樂器的獨奏,變成了兩件樂器的激烈合奏。 研究這種多軌道物理,能幫助我們判斷,多軌道協同是否是達到更高臨界溫度的普遍關鍵。 高壓與長壓的密碼本,這是鎳基目前最獨特的貢獻。 我們擁有同一材料在高壓下和長壓下的詳盡數據,通過對比這兩種狀態下晶格電子結構的細微變化,我們就像拿到了一本壓力超導的密碼本,破解這本密碼,我們就能知道壓力到底改變了哪個關鍵參數,從而打開了超導開關。 這個答案,可能皆是高壓在所有超導體系中起作用的普遍原理。 因此,鎳基超導體的崛起,並非意在取代銅基,而是預知形成絕佳的雙子星對照系統。 它用自身的複雜性挑戰我們,也用自身的清晰性起敵我們,沒解決一個鎳基特有的問題,我們就有可能獲得一把解開銅基謎題中對應環節的鑰匙。 這場跨越材料家族的比較研究,正將高溫超導的探索,從基於經驗的試錯,推向基於理解的理性設計,追尋室溫長壓超導的真誠,猶如在茫茫量子海洋中尋找一座燈塔。 銅基的發現,讓我們第一次確信燈塔的存在,鐵基的湧現,告訴我們燈塔可能不止一座,氫化物的奇蹟,展示了燈塔可能達到的驚人高度。 而高壓下的爭議,則僅是我們通往真理之路佈滿荊棘。 現在,鎳基的長壓突破,像是一支裝備了全新地圖和工具的探險隊,它不僅證明了在溫和條件下實現高溫超導的可行性,更重要的是,它正試圖爲我們打通從不可理解到逐步理解,從極端條件到溫和環境的兩大核心障礙。 中國科學家在材料製備和規律發現上的原創性貢獻,證實我國在這一前沿領域佔據着至關重要的位置。 前路依然漫長,材料合成的精英度需要達到原子級別,對多軌道強關聯物理的理解仍需深化,性能優化通往實際應用的道路更是需要工程技術的協同創新。 然而,希望的火種已然點燃,並且愈發明亮,它照亮的不只是一個零損耗輸電,超高速磁浮的未來圖景更是人類對物質世界最深層次規律的好奇心與求知慾。 在孽這個人類使用了數千年的古老金屬身上,現代科學正試圖喚醒其量子層面最深邃的潛能。 這條路註定崎嶇,但每一點突破都在將那個曾經遙不可及的聖碑拉近到我們觸手可及的現實,科學的光正穿透理論與實驗的重重迷霧,照亮前路。 而破壁者的故事仍在以每一個新的發現,每一次謹慎的驗證,繼續被深情書寫。