超導，這顆物理學的璀璨明珠，我們對它的認知再次取得了新突破。

近日，由國家最高科學技術獎獲得者薛其坤院士領銜的南方科技大學、粵港澳大灣區量子科學中心與清華大學聯合研究團隊，發現常壓下鎳氧化物的高溫超導電性。鎳基材料成為繼銅基、鐵基之后，第三類在常壓下突破40開爾文（K）的“麥克米蘭極限”的高溫超導材料體系。相關研究成果發表在《自然》雜志上。

薛其坤院士與科研團隊

（圖片來源：新華社）

鎳基材料是一類以鎳元素為主要成分的材料，部分成員能在特定條件下展現超導電性。要想知道此次鎳基超導材料在常壓下突破麥克米蘭極限的科學意義，我們要從超導體的三重“天花板”說起。

超導溫度的三重“天花板”

某些材料在溫度降低到某一特定值后，電阻會完全變為零，這就是超導現象，轉為超導體的溫度稱為臨界溫度。超導材料具有絕對零電阻和完全抗磁性兩大特性，幾乎在所有涉及電和磁的領域都具有重大的應用價值，也是現代量子技術的核心材料之一。

超導體的完全抗磁性使磁鐵在上方懸浮

（圖片來源：veer圖庫）

然而，超導材料必須在低于臨界溫度下才能工作，而臨界溫度面臨著三重“天花板”：

第一重，40K（約零下233℃），又稱麥克米蘭極限。這是傳統金屬單質或者合金超導體的臨界溫度的上限。

1957年，三位美國科學家巴丁、庫珀、施里弗提出金屬和合金超導體的微觀理論（后來以他們名字命名為BCS理論），取得了自發現超導現象以來最大的成就。物理學家基于這一理論推斷，超導臨界溫度存在一個40K的上限，后來被人們稱為“麥克米蘭極限”。

巴丁、庫珀、施里弗因提出BCS理論獲得1972年諾貝爾物理學獎（圖片來源：Nobel Prize）

常規超導材料臨界溫度和麥克米蘭極限

（圖片來源：《超導小時代》羅會仟著）

不過，這個極限僅僅適用于常壓條件下基于電聲子耦合機制的超導體（又稱為“常規超導體”）。如果不是電聲子耦合機制形成的超導電性，那么臨界溫度就不必受限于40K，這些超導體被統稱為“非常規超導體”。

第二重，液氮的沸點77K（約零下196℃）。超導材料的臨界溫度突破這一門檻，意味著可以在液氮的浸泡下工作，極大地降低了規模實用化的成本。

臨界溫度過低使得很多超導材料需要借助液氦制冷才能工作。作為稀有氣體，氦資源稀缺且分布極不平均，制冷成本非常之高。而氮氣作為自然界含量最多的氣體，用作制冷介質是最經濟的選擇之一。

一塊磁鐵在液氮冷卻的超導體上方懸浮

（圖片來源：wikipedia）

第三重就是室溫，一般定義為300K（約27℃）。毫無疑問，如果超導臨界溫度可以突破室溫，那么在實際應用中就不存在制冷成本，超導材料的大規模應用也就掃清了最大的障礙。然而理想很豐滿，現實卻很骨感，目前發現的常壓超導材料最高臨界溫度的記錄依舊是由Hg-Ba-Ca-Cu-O體系保持的134K，離室溫遙遙無期。

不過，科學家們在多年的研究中發現，高壓是提升超導臨界溫度的“制勝法寶”之一。例如一些非金屬單質在常壓下不超導，高壓下就能變成超導體；而已有的金屬單質超導溫度可以在加壓后進一步提升。目前已知的超導臨界溫度的最高記錄正是十氫化鑭在170GPa高壓條件下的250K（約-23℃）。

各類超導材料的臨界溫度一覽

（圖片來源：wikipedia）

高溫超導體的兩大家族

物理中一般將臨界溫度超過麥克米蘭極限的超導體稱為高溫超導體，其中有兩大家族格外引人注目：銅基超導體和鐵基超導體，它們在超導研究領域具有舉足輕重的地位。

銅基超導體是一類以銅氧化物為主要成分的高溫超導材料，1986年由瑞士科學家柏諾茲和繆勒在鑭-鋇-銅-氧體系中首次發現，其超導轉變溫度達到35K，突破了當時已知的臨界溫度極限。隨后，中國科學家趙忠賢等人獨立發現了釔-鋇-銅-氧（簡稱YBCO）體系的臨界溫度達到93K，突破了液氮溫區的第二重“天花板”。

YBCO體系的一種晶體結構

（圖片來源：Harvard）

在YBCO體系的基礎上，科學家們還發現了鉍系、鉈系和汞系等超導體。目前，銅基超導體在常壓下的最高臨界溫度是134K，這一紀錄由汞系銅氧化物超導體保持。

銅基超導體具有典型的準二維層狀結構，其中Cu-O平面作為導電層，其他氧化物層作為載流子庫層。銅基超導體超出了傳統BCS理論的解釋范圍，屬于非常規超導體，超導機制至今仍未完全闡明。

與銅基超導體對應，鐵基超導體是一類以鐵為主要成分的非常規高溫超導材料，2008年由日本科學家細野秀雄等人首次在鑭-鐵-砷-氧體系中發現，臨界溫度達到了26K。隨后，中國科學家通過稀土替代等方法，將鐵基超導體的臨界溫度提升到55K，突破了麥克米蘭極限。

鐵基超導體發現時間及其臨界溫度

（圖片來源：《超導小時代》羅會仟著）

鐵基超導體主要分為鐵砷/磷化物和鐵硒/硫化物兩大類，具有層狀結構，其中Fe-As或Fe-Se層作為導電層。鐵基超導體的超導機制同樣復雜，涉及強關聯電子系統的量子效應。與銅基超導體相比，鐵基超導體在結構和物性上更接近傳統金屬超導體，被認為是連接常規超導和銅基高溫超導的橋梁。

連接常規超導和銅基高溫超導的橋梁——鐵基高溫超導

（圖片來源：《超導小時代》羅會仟著）

高溫超導新家族：鎳基超導

把目光投向元素周期表，我們還會發現鐵和銅之間存在兩個元素：鈷和鎳。含鈷的材料往往表現出強鐵磁性，難以轉變為超導體；而鎳氧化物和銅氧化物的結構相似，是不是高溫超導體在兩大家族之外，還可能存在鎳基超導體？

自銅氧化物超導體發現后，科學家就開始在鎳基材料中尋找超導電性，然而近40年沒有取得突破性進展。直到2019年，美國斯坦福大學的研究團隊在鎳基薄膜樣品Nd0.8Sr0.2NiO中首次觀測到超導電性，臨界溫度約為15K。

鎳氧化物薄膜超導體及其電子配對示意圖

（圖片來源：The Innovation）

2023年，中山大學王猛團隊在超過十萬個大氣壓的高壓環境下發現鎳基材料La3Ni2O7的臨界溫度約為80K，成功突破液氮溫區。這也是繼銅氧化物超導體之后再次在氧化物材料中觀測到液氮溫區的超導電性。

鎳基超導體的超導特性主要源于鎳的3d軌道電子。與銅基超導體類似，鎳基超導體中的電子表現出強關聯特性，這種強關聯效應被認為是超導配對的關鍵因素，具體的原理機制目前仍在深入研究階段。

鎳基超導新突破

盡管鎳基超導體已成功突破液氮溫區的“天花板”，但高壓環境限制了其實際應用。因此，如何在常壓下實現鎳基高溫超導成為全球科學家競相追逐的目標。

近期，這一目標終于取得了重大突破：由薛其坤院士領銜的南方科技大學、粵港澳大灣區量子科學中心與清華大學聯合研究團隊，成功在常壓下實現了鎳氧化物材料的高溫超導電性，超導臨界溫度突破40K，使得鎳基材料成為繼銅基和鐵基超導體之后第三類在常壓下突破麥克米蘭極限的高溫超導材料體系。

薛其坤院士與研究團隊

（圖片來源：澎湃新聞）

研究團隊自主研發了“強氧化原子逐層外延”技術，可以在氧化能力大幅提高的情況下，依然實現原子層的逐層生長，并精確控制化學配比，構建出結構復雜、熱力學亞穩、但晶體質量趨于完美的氧化物薄膜。在全新技術的支持下，研究團隊最終在常壓條件下實現了鎳氧化物材料La2.85Pr0.15Ni2O7的高溫超導電性。

常壓鎳基超導的發現在超導研究歷史上具有里程碑式意義，為解決高溫超導機理這一世紀難題提供了全新突破口。超導領域的基礎研究為超導技術的實際應用和產業化奠定重要基礎，未來也將繼續拓展人類對物質世界的認知。

文章綜合中國科學報、返樸等媒體報道。

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