界面新聞?dòng)浾?| 張熹瓏
界面新聞編輯 | 許悅
7月12日著名科學(xué)期刊《自然》雜志（Nature）刊登了中山大學(xué)物理學(xué)院王猛教授團(tuán)隊(duì)在高溫超導(dǎo)材料的科學(xué)成果——首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。
這種全新的高溫超導(dǎo)體是一種鎳氧化物單晶，在14GPa壓力下出現(xiàn)80K左右的超導(dǎo)電性。這是繼1980年代發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后，目前人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，也是中國(guó)科學(xué)家在全球率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系。
由于具有絕對(duì)零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應(yīng)的特殊性質(zhì)，理論上超導(dǎo)材料具備廣闊的應(yīng)用前景。作家劉慈欣就在《三體》中描寫(xiě)了這樣一個(gè)“超導(dǎo)”世界：核聚變成功后，由于能源基本沒(méi)有限制，電力開(kāi)始免費(fèi)使用；各種交通工具都基于磁懸浮技術(shù)。
而在現(xiàn)實(shí)生活中，超導(dǎo)體的應(yīng)用落地主要涉及信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器、電力、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)檢查中的核磁共振成像，以及交通方面的超導(dǎo)磁懸浮車(chē)。在眾多應(yīng)用前景中，最被寄予厚望的是推動(dòng)可控核聚變反應(yīng)堆的發(fā)展。
不過(guò)，作為一項(xiàng)基礎(chǔ)的科學(xué)突破，鎳基高溫超導(dǎo)體距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。
清華大學(xué)物理學(xué)系教授張廣銘是此次論文的共同通訊作者之一，在研究中提出了一個(gè)理解實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的物理圖像。他向界面新聞大灣區(qū)頻道指出，這項(xiàng)成果屬于基礎(chǔ)研究工作，“真正要利用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)或日常生活，還需要非常漫長(zhǎng)的時(shí)間，沒(méi)有短期實(shí)際應(yīng)用的情況。”
“舉個(gè)例子，我們現(xiàn)在用的通訊技術(shù)、計(jì)算電磁技術(shù)，那都是基于150多年前麥克斯韋提出的電磁理論，所以基礎(chǔ)研究很難判定什么時(shí)候可以運(yùn)用。”張廣銘提及，“輸電、計(jì)算信息技術(shù)、交通運(yùn)輸，很多方面未來(lái)都有可能用到（鎳基高溫超導(dǎo)體），只不過(guò)這個(gè)周期很長(zhǎng)，可能要幾十年的時(shí)間才會(huì)落地。”
對(duì)于超導(dǎo)材料而言，其規(guī)模化應(yīng)用的瓶頸包括臨界溫度參數(shù)、臨界磁場(chǎng)和臨界電流等。第一種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料的銅氧化物高溫超導(dǎo)體，盡管發(fā)現(xiàn)已有近40年，但也未完全實(shí)現(xiàn)規(guī)模化強(qiáng)電應(yīng)用，原因之一就是它的下臨界場(chǎng)太低。
在元素周期表中，鎳（Ni）緊挨在銅（Cu）的旁邊。自從銅氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，鎳氧化物就被廣泛關(guān)注，并被寄予厚望——人們希望制備出以鎳為基礎(chǔ)的類(lèi)似高溫超導(dǎo)材料。但是直到現(xiàn)在，仍然沒(méi)有形成公認(rèn)的理論來(lái)闡明超導(dǎo)機(jī)制，也嚴(yán)重制約了超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
低溫和高壓帶來(lái)的制作成本高是另一個(gè)限制因素。王猛提到，目前研制的超導(dǎo)材料需要14GPa壓力下才能實(shí)現(xiàn)，這會(huì)限制對(duì)超導(dǎo)機(jī)理的研究以及廣泛應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)目前正在攻關(guān)，希望生長(zhǎng)出常壓下達(dá)到液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物超導(dǎo)體。
王猛提及，此次發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的鎳氧化物，鎳的價(jià)態(tài)為+2.5價(jià)，超出傳統(tǒng)預(yù)期，其電子結(jié)構(gòu)、磁性與銅氧化物完全不同。通過(guò)比較研究，將有可能確定高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素，推動(dòng)破解高溫超導(dǎo)機(jī)理，“根據(jù)機(jī)理，有望與計(jì)算機(jī)、AI技術(shù)等學(xué)科交叉后，設(shè)計(jì)、合成新的更多的更容易應(yīng)用的高溫超導(dǎo)材料，實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。”