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揭開超導(dǎo)材料神秘面紗，神秘力量來自哪里？主要國家研究現(xiàn)狀如何？
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2023-12-01 15:11:48
“高溫超導(dǎo)材料”能夠在較高溫度下實(shí)現(xiàn)零電阻，在核磁診斷、電力運(yùn)輸、量子計(jì)算等方面應(yīng)用前景廣泛，是全球科學(xué)家夢寐以求的“未來之星”。



自2019年起，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心副教授李源、助理教授彭瑩瑩與德國馬克斯·普朗克固體研究所（以下簡稱馬普所）教授本納德·凱默、德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院教授馬修·勒塔康合作，圍繞銅氧化物超導(dǎo)溫度與磁性能量尺度間的關(guān)聯(lián)開展深入研究。



這項(xiàng)研究從2020年起得到了國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱自然科學(xué)基金委）與德國研究聯(lián)合會合作研究項(xiàng)目“模型高溫超導(dǎo)材料中電子態(tài)特性的晶格調(diào)控”（以下簡稱項(xiàng)目）的大力支持。研究成果為揭開超導(dǎo)材料神秘面紗——理解高溫超導(dǎo)的機(jī)制提供了重要線索。



超導(dǎo)材料的概念



超導(dǎo)材料是指在一定的溫度、壓力和電場條件下，電阻變?yōu)榱愕牟牧稀Ｗ詮牡谝环N超導(dǎo)材料銀鈷氧在1986年被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們一直在探索著超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)、理論研究和應(yīng)用開發(fā)。雖然在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)制備出了一些具有優(yōu)異超導(dǎo)性能的材料，但要將它們從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模應(yīng)用，還有很長的路要走。



首先，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料大都需要極低的溫度才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，這對于應(yīng)用的推廣帶來了很大的限制。例如，銀鈷氧的超導(dǎo)溫度只有-180℃左右，而且其制備過程復(fù)雜，成本較高。因此，科學(xué)家們需要不斷探索新的材料，提高超導(dǎo)溫度，降低制備成本。



其次，超導(dǎo)材料的應(yīng)用場景也需要進(jìn)一步拓展。目前，超導(dǎo)材料主要應(yīng)用于磁共振成像、磁懸浮列車等領(lǐng)域，但其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。例如，超導(dǎo)材料在電力傳輸、儲能、航空航天、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景，但這些領(lǐng)域的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究和開發(fā)。



此外，超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用也面臨著其他問題。例如，由于超導(dǎo)材料的特殊性質(zhì)，其制備和加工難度較大，需要特殊的設(shè)備和技術(shù)。同時(shí)，超導(dǎo)材料的性能穩(wěn)定性也需要進(jìn)一步提高，以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。



主要國家研究現(xiàn)狀



目前，超導(dǎo)材料的研究主要圍繞4個(gè)方面進(jìn)行：新超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)及材料性質(zhì)表征；超導(dǎo)機(jī)理研究；超導(dǎo)體的宏觀量子相干特性研究；超導(dǎo)材料的應(yīng)用研究。美國、歐洲、中國、日本等主要國家在超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域投入較大，主要國家間的技術(shù)競爭日趨激烈。



（一）美國



美國在高溫超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國超導(dǎo)材料研究主要集中在麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室等高校和研究機(jī)構(gòu)以及部分科技型企業(yè)。2022年3月，美國普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室通過將鈮和錫經(jīng)特殊方式加熱開發(fā)出新型超導(dǎo)體，將其用于托卡馬克聚變裝置可提高超導(dǎo)線電流容量。2023年1月，美國麻省理工學(xué)院發(fā)現(xiàn)一種利用電脈沖在“魔角”（“magic-angle”）石墨烯中“打開”和“關(guān)閉”超導(dǎo)性的新方法，可用于制造神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的超快、高能效超導(dǎo)晶體管。2023年3月7日，在美國物理學(xué)會年會上，美國羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）宣布成功合成了一種超導(dǎo)材料氮摻雜氫化镥（NDLH），可在室溫條件下（約20.6℃，1萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）表現(xiàn)出超導(dǎo)性。該研究結(jié)果隨即遭到多國研究人員的質(zhì)疑，相關(guān)論文于11月7日被《自然》撤稿。



（二）日本和韓國



日本和韓國將高溫超導(dǎo)材料作為重點(diǎn)研究方向。日本相繼成立日本理化學(xué)研究所（RIKEN）、國際超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心（ISTEC）、新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）等研發(fā)機(jī)構(gòu)。2008年2月，日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)和東京工業(yè)大學(xué)發(fā)現(xiàn)氟摻雜鑭氧鐵砷化合物表現(xiàn)出超導(dǎo)性（Tc為26K）。2018年11月，日本理化學(xué)研究所利用包含高溫超導(dǎo)帶材接頭的持久電流核磁共振裝置，成功獲得了核磁共振信號。



韓國的超導(dǎo)材料研究雖然起步較晚，但研究進(jìn)展較快。2023年7月22日，韓國量子能源研究中心的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文宣稱，銅摻雜鉛磷灰石材料LK-99可以通過黃鉛礦（Pb2SO5）和磷化銅（Cu3P）之間的固態(tài)反應(yīng)制成，在127℃的常壓下顯示出超導(dǎo)性。但其他研究人員對LK-99制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了很多問題，如LK-99中含有大量的水分和其他雜質(zhì)，以及韓國研究團(tuán)隊(duì)使用的高壓設(shè)備無法保證壓力和溫度的穩(wěn)定性，且測量電阻和磁化率時(shí)并未考慮到空氣濕度、溫度波動、電流噪聲等環(huán)境因素的影響。該材料能否實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)技術(shù)突破，學(xué)界仍存爭議，仍需進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。



（三）歐洲



歐洲國家依托其在材料領(lǐng)域長期的技術(shù)積累以及在研發(fā)方面的持續(xù)投入，在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域不斷取得突破。歐洲超導(dǎo)材料研究集中在瑞士、德國、英國等國。2018年12月，德國馬克斯·普朗克學(xué)會的Mikhail Eremets團(tuán)隊(duì)在150~170GPa下合成氫化鑭（LaH10），并在250K溫度下發(fā)現(xiàn)氫化鑭具有超導(dǎo)性。2022年11月，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院證明扭曲的石墨烯可用于制造超導(dǎo)器件的基本組成部分約瑟夫森結(jié)（Josephson junction），可基于扭曲的石墨烯制造可以承載量子比特的超導(dǎo)量子干涉設(shè)備。



（四）中國



中國在超導(dǎo)材料方面的研究起步較晚，但在部分研究方向上已位居世界領(lǐng)先水平并不斷取得新突破。中國超導(dǎo)研究主要集中在中國科學(xué)院物理研究所、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)。2021年5月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)開發(fā)出可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號”，可操縱62個(gè)超導(dǎo)量子比特。2023年7月，中國中山大學(xué)王猛教授團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)鎳氧化物超導(dǎo)體（液氮溫區(qū)），是目前已知的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料。



天時(shí)地利，一切都是“剛剛好”



“中國科學(xué)家在超導(dǎo)材料及其機(jī)理的研究方面水平很高，期待我們的合作能夠取得新進(jìn)展。”馬修·勒塔康計(jì)劃近期到中國訪問北京大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，深入推進(jìn)相關(guān)合作，繼續(xù)探索銅氧化物的超導(dǎo)之謎。



作為高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的世界知名專家，馬修·勒塔康曾與本納德·凱默一起，在高溫超導(dǎo)材料中的磁性相互作用研究方面作出重要貢獻(xiàn)。



自2019年起，他們與李源開展科研合作，圍繞銅氧化物超導(dǎo)材料的磁性相互作用開展研究。“這是一項(xiàng)天時(shí)地利兼具的合作研究，一切都是‘剛剛好’。”李源向《中國科學(xué)報(bào)》表示。



這項(xiàng)研究所需要的實(shí)驗(yàn)材料是一系列特殊銅氧化物的“單晶”。單晶由化合物結(jié)晶而成，其內(nèi)部的原子在三維空間規(guī)律排列，是從微觀層面研究超導(dǎo)性質(zhì)的最佳對象。但是，這些單晶的獲得條件苛刻，需要科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室對合成工藝進(jìn)行長時(shí)間優(yōu)化。



李源等研究人員歷時(shí)10多年，終于“集齊”了此次研究用到的兩種銅氧化物單晶。2019年，李源在成功生長出第二種單晶后，與在馬普所工作時(shí)的前同事馬修·勒塔康討論如何通過實(shí)驗(yàn)測量這些材料的磁性相互作用強(qiáng)度。恰巧那時(shí)，英國“鉆石”光源的最新一代譜儀的能量分辨率達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。中德科學(xué)家為此感到振奮，開始為測量實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。



2020年，自然科學(xué)基金委發(fā)布了與德國研究聯(lián)合會合作研究的項(xiàng)目指南。“德國科學(xué)家在物態(tài)調(diào)控和測量實(shí)驗(yàn)上經(jīng)驗(yàn)豐富，中國科學(xué)家則‘生長’出了完美單晶，各方面條件都在這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上齊聚，自然而然就想到了申請項(xiàng)目。”李源表示。



項(xiàng)目申請期間，新冠疫情形勢嚴(yán)峻，中德兩國科學(xué)家克服了實(shí)驗(yàn)室封閉等困難，齊心協(xié)力撰寫申請書并籌備實(shí)驗(yàn)。



不久后，項(xiàng)目獲批的好消息傳來，兩位德國科學(xué)家都為獲得中國國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助感到自豪。在馬修·勒塔康看來，國家自然科學(xué)基金是中國資助基礎(chǔ)研究的主渠道，其資助的項(xiàng)目是中國科研最高水平的權(quán)威體現(xiàn)。



挑戰(zhàn)超導(dǎo)難題



中德科學(xué)家的目標(biāo)是破解超導(dǎo)材料中一道久未攻克的難題。



超導(dǎo)是一種奇妙的現(xiàn)象。材料在超導(dǎo)態(tài)下會完全失去電阻，電子得以無損耗地流動。理解超導(dǎo)本質(zhì)，是全球科學(xué)家共同面對的挑戰(zhàn)。其中，電子形成的“庫珀對”是對超導(dǎo)本質(zhì)的一個(gè)重要解釋。在極低溫度下，電子以某種方式“手拉手”形成“庫珀對”，它們能夠在微觀世界的原子森林里所向披靡、暢通無阻。



“科學(xué)家通過多年探索已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電子‘庫珀對’的形成可能和磁性相互作用相關(guān)。”李源向《中國科學(xué)報(bào)》介紹，“我們的研究正是對這一認(rèn)識進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。”



科學(xué)家通常用“磁振子”的頻率高低來描述固體材料中的磁性相互作用強(qiáng)度。可以想象在一張棋盤上規(guī)則地?cái)[滿小磁針，當(dāng)有人用手碰到其中一枚磁針，棋盤上所有的磁針都會集體擺動起來，擺動產(chǎn)生的能量擾動就可以比作磁振子。事實(shí)上，這種集體擺動現(xiàn)象即使在小磁針并未形成長程有序排列的情況下也可以出現(xiàn)，此時(shí)的磁振子被稱為“順磁振子”。



作為晶體結(jié)構(gòu)簡單、對稱性高的材料，李源主要研究的兩種銅氧化物一直都是科學(xué)家眼中研究高溫超導(dǎo)機(jī)制的理想材料。二者屬于同一個(gè)家族，結(jié)構(gòu)非常相似，差別只是在于中間是否多加了一層。然而，二者的超導(dǎo)溫度卻存在較大差異：一種為97開爾文（K），另一種為128K，兩者相差約31K，大約為30%。為什么如此微小的結(jié)構(gòu)差別，能導(dǎo)致超導(dǎo)臨界溫度上升30%？在項(xiàng)目支持下，中德科學(xué)家圍繞這個(gè)科學(xué)問題展開研究。



他們的探索著眼于“順磁振子”。借助英國“鉆石”光源，科學(xué)家主要利用“共振非彈性X射線散射”實(shí)驗(yàn)方法，輔以北京大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的“拉曼散射”方法，直接對材料中的磁性相互作用強(qiáng)度進(jìn)行了測量。



據(jù)了解，利用英國“鉆石”光源開展的實(shí)驗(yàn)為期6天。李源課題組實(shí)驗(yàn)成員與彭瑩瑩等前往實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，與“鉆石”光源的周克瑾等譜儀科學(xué)家一起對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化，最終獲得了清晰的測量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種銅氧化物的“順磁振子”能量相差20%～30%，這恰好與兩種材料超導(dǎo)溫度之間的差異一致。匯總更多銅氧化物材料家族的數(shù)據(jù)后，合作團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了各個(gè)體系的最高超導(dǎo)溫度與順磁振子能量之間具有近似正比的關(guān)系。



相關(guān)研究成果2022年6月發(fā)表于《自然-通訊》。論文發(fā)表后引起了國際同行的關(guān)注。美國物理學(xué)會旗下期刊《今日物理》在一篇高溫超導(dǎo)機(jī)制研究的科普報(bào)道中，專門提到了這項(xiàng)研究。在業(yè)內(nèi)專家看來，這一結(jié)果對從定量上確認(rèn)可能由磁性導(dǎo)致的電子超導(dǎo)配對機(jī)制具有重要意義。



批判性“碰撞”



在項(xiàng)目國際合作中，李源感受最深的是雙方邊推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，邊互相“批判”的工作模式。



“合作期間，雙方主要是通過電子郵件和定期會議進(jìn)行交流，更多的時(shí)候是大家碰一次、完整交流一次后，就各自悶頭干一段時(shí)間。”李源表示，“這樣大家會有更多的時(shí)間和精力深入形成原創(chuàng)想法，避免信息交換過于頻繁而導(dǎo)致的同質(zhì)化。”



工作一段時(shí)間后的完整交流中，雙方往往以提出不同看法的“批判”為主題。例如，上述實(shí)驗(yàn)工作在論文寫作階段，中國科學(xué)家在行文用詞和下結(jié)論方面比較“大膽”，德國科學(xué)家則認(rèn)為需要更加謹(jǐn)慎，雙方為此進(jìn)行了多個(gè)回合的切磋討論，最終才形成投稿的論文。這種工作方式使雙方更加接近真相，提高了科學(xué)結(jié)論的準(zhǔn)確性和可靠性。



一批超導(dǎo)領(lǐng)域科研新星在項(xiàng)目支持下成長起來。中國方面，作為上述論文共同第一作者之一，王立晨在李源課題組攻讀博士期間成功生長出其中一種銅氧化物的大尺寸單晶。2019年博士畢業(yè)后的他前往馬普所從事博士后研究，并入選“洪堡學(xué)者”人才計(jì)劃。課題組內(nèi)接替王立晨工作的博士生、論文共同第一作者何冠宏與王立晨一起參與了英國的實(shí)驗(yàn)，并在北京大學(xué)完成了一系列拉曼光譜的測量。在該論文發(fā)表后，受國家“博新計(jì)劃”資助的博士后洪文山大幅改進(jìn)了晶體生長工藝，成功生長出了同一材料家族中超導(dǎo)溫度更高的下一個(gè)化合物的單晶，并已攜帶樣品多次前往英國開展實(shí)驗(yàn)。



德國方面，馬修·勒塔康課題組的成員葉麥今年來到李源課題組訪問交流，推進(jìn)雙方進(jìn)一步工作。



他們深感國際合作不僅提升了自身科研水平，也拓寬了學(xué)術(shù)視野，建立起人脈網(wǎng)絡(luò)，為未來的職業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。



面向未來，雙方將繼續(xù)深入開展銅氧化物超導(dǎo)機(jī)制方面的研究。李源期待，在雙方持續(xù)合作下，能夠開展更加“硬核”的實(shí)驗(yàn)，獲得更加扎實(shí)的結(jié)論。



“我正是為此而來！”對于中國之行，馬修·勒塔康表示。目前，合作團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，排除在更換化合物時(shí)可能引入的其他影響因素，力爭在同一片晶體中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)溫度和磁性相互作用的可控變化并驗(yàn)證兩者之間的定量關(guān)系。其中一個(gè)技術(shù)方案是用外力讓晶體發(fā)生彈性形變，這正是馬修·勒塔康研究團(tuán)隊(duì)所擅長的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。



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