常压镍基超导：向高温超导共性机理的核心难题再迈一步

导读

《科学》期刊将高温超导机理列为人类125个还未解决的关键基础科学问题之一。

当中国科学家在怀柔科学城依托综合极端条件实验装置，用常压制备技术将镍基超导温度推至96K，并首次实现>60%超导体积分数时，这个困扰物理学界近40年的谜题，正在迎来破局曙光。镍基超导的常压突破，不仅为解决材料制备瓶颈提供了新路径，更因其独特的多轨道Hund金属特性，为揭示高温超导共性机理开辟了全新的实验平台。

Part 1

技术解码：

三种超导体的核心机制差异

高温超导体的研究，本质是寻找电子配对的内在机理。铜基、铁基、镍基三者的差异，如同三条探索未知的技术路径：

铜基超导体是强关联极限的代表。它需要强库仑排斥（U）催生的Mott绝缘体作为母相，电子在掺杂后从反铁磁绝缘体中“挣脱”，通过d波配对实现164K的临界温度纪录。但问题是，这一机制条件苛刻——薄膜质量差、氧空位难控、晶界弱连接严重，导致其临界电流密度始终无法突破实用化门槛，宛如“实验室里的贵族”。

铁基超导体则是多带超导的典范。它天生是反铁磁金属，多带费米面（3个空穴带+2 个电子带）与自旋涨落共同促成s波配对。这种多自由度协同的特性，让其上临界磁场>100T、临界电流密度>10⁶A/cm²，且对晶界容忍度极高。从2008年发现到2015年百米级线材，铁基仅用7年就走完铜基40年的路，成为强电应用领域的“实干家”。

镍基超导体的崛起，则源于一次合成路径的革新。传统高压浮区法需要10~15个大气压氧压，成本高、单晶质量差，超导体积分数长期<1%，呈现“丝状超导”——如同在干玻璃中找水，超导只发生在微裂纹等局部区域。山东大学张俊杰 / 陶绪堂团队依托怀柔科学城的综合极端条件实验装置，首创的常压制备工艺，以K₂CO₃为助熔剂，在常压下生长出高质量La₃Ni₂O₇单晶，超导体积分数跃升至>60%，实现从“火花”到“火焰”的质变。中科院物理所进一步揭示：晶格畸变 Δ=(a-b)/(a+b)与 Tc 正相关，通过稀土元素替代的“化学应力策略”，将Tc从80K推至96K，预测 La₀.₈₇Nd₂.₁₃Ni₂O₇ 有望突破100K大关。

更关键的是，镍基是多轨道Hund金属 ——Ni的d_{z²} 与d_{x²-y²} 轨道分别呈现强关联与弱关联，这种轨道选择性关联的特性，让层间s波配对成为可能。正如复旦大学封东来教授所言：“镍基与铜基的差异性，对于研究非常规超导的一般机制至关重要。”

Part 2

产业展望：

量子计算是首个“杀手级应用”

尽管镍基超导在电力传输等领域前景广阔，但其真正的“杀手级应用”可能出现在量子计算领域。这是因为超导量子比特对材料的三大要求——低损耗、高均匀性、弱晶界效应——恰好是镍基超导的强项。

量子比特的“材料困境”

当前主流的Transmon量子比特使用铝或铌超导薄膜，面临两大“瓶颈”：

1. 介电损耗：衬底与界面处的二能级系统（TLS）导致量子态迅即退相干，相干时间普遍<100μm；

2. 晶界效应：多晶薄膜的晶界处存在弱连接，导致量子态泄漏与串扰。

铜基超导因陶瓷脆性和强晶界效应难以应用，铁基超导虽弱连接弱，但Tc过低（<50K）增加制冷成本，而镍基超导在1K以上温区仍能保持低损耗，有望将制冷成本降低50%以上。

镍基超导的量子优势

损耗角正切：镍基薄膜的微波损耗 <10⁻⁶，比铝低两个量级。这意味着量子比特的相干时间可延长至1毫秒以上， 错 误 率 从0.1%降至 0.01%——这正是实现量子纠错的阈值门槛。

晶界完美性：常压制备工艺生长的 单 晶 无 晶 界， 避 免 了TLS的 主 要来源。怀柔科学城的测试显示，镍基SQUID器件在77K下磁通噪声仅为0.1μΦ₀/ √ Hz，比铝基SQUID灵敏10倍，可直接用于单光子探测与量子态读取。

能隙可调控：通过化学应力策略，镍基超导能隙可在 5~15meV 间调控，允许不同频率量子比特在同一芯片上共存，为异构量子计算提供材料基础。

从 SQUID 到量子处理器的路径

短期（5~10 年）：镍基SQUID阵列用于量子退火机，解决组合优化问题（如物流调度、药物分子设计）。其优势在于可在4K制冷机（液氦）中运行，无需mK级稀释制冷机，成本降低90%。

中期（10~20年）：构建百比特级量子模拟器，模拟高温超导机制本身——用量子系统研究量子系统。这不仅是基础科学的终极验证，更能反向指导材料设计，形成量子 —经典闭环研发。

长期（20年以上）： 若 镍 基Tc突破150K，配合干式制冷机（无需液氦），量子计算机有望从机房大小缩小至桌面级，进入科研机构与企业实验室，正如上世纪80年代的个人电脑革命。

Part 3

未来展望：

超越液氮温区的机理探索

镍基超导的终极目标，不仅是性能参数的提升，更是揭示高温超导共性机理。当前96K的成绩，距离室温（300K）仍有鸿沟，但路径已清晰：

1. 晶格畸变调控：通过高压实验与DFT计算，已找到Δ=0.08时Tc达120K的理论路径，为机理研究提供更宽温区；

2. 界面工程：在镍基薄膜中引入界面掺杂层，可提升Tc约20%，同时研究界面电荷转移对配对的影响；

3. 高压合成：利用金刚石压砧技术， 已在Pr₃Ni₂O₇ 中观测到110K的迹象，探索高压下结构相变与超导的关联。

若突破150K，可用液氢冷却；若突破250K，可用干冰冷却；若突破300K——能源传输将无损耗，量子计算机将桌面化。

这便是镍基超导的终极价值：一个在自然界几乎无法稳定存在，却在怀柔科学城里星火燎原的材料体系，不仅为解决《科学》期刊的世纪难题提供实验利器，更可能引领下一次量子科技革命。当技术突破遇上国家实验室的体系支撑，中国在新材料与基础物理领域的领跑，正在从愿景变为现实。

来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 孙践伟

编辑：柯欣

审核：王汝霖

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