1986年，科學(xué)家們意外地發(fā)現(xiàn)鑭鋇銅氧（La1.85Ba0.15CuO4）在35K的溫度下會變成具有零電阻的超導(dǎo)體——這種材料具有無損耗傳輸電流的能力。不久之后，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了許多能在高達(dá)133.5K的溫度之下實現(xiàn)超導(dǎo)的銅氧化物（銅酸鹽）。這為實現(xiàn)室溫超導(dǎo)，徹底改變電子設(shè)備、電力傳輸和其他技術(shù)帶來了希望。

但是，銅酸鹽的超導(dǎo)機(jī)制究竟是如何形成的？經(jīng)過30多年的研究，物理學(xué)家依然沒能對此達(dá)成共識。最近，斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家們制造出了第一種顯示出明顯超導(dǎo)跡象的鎳氧化物。在最近的《自然》雜志上他們報告稱，釹鍶鎳氧（Nd0.8Sr0.2NiO2）可以在低于9-15K的溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)。這種材料的晶體結(jié)構(gòu)與銅酸鹽超導(dǎo)體相似。這種相似之處不禁讓科學(xué)家們懷疑，鎳酸鹽是否也能在相對較高的溫度下進(jìn)行超導(dǎo)。

對超導(dǎo)領(lǐng)域的研究來說，這是一個非常重要的發(fā)現(xiàn)。它的出現(xiàn)使得科學(xué)家開始重新思考這些材料的電子結(jié)構(gòu)以及潛在的超導(dǎo)機(jī)制。接下來，將會有大量的理論和實驗研究圍繞著這類新的材料展開。

在金屬材料中，當(dāng)電子間的排斥作用轉(zhuǎn)變成吸引作用時，金屬就會表現(xiàn)出超導(dǎo)性。在這種情況下，周圍原子對這些電子的電荷與自旋的反應(yīng)，會間接地導(dǎo)致電子配對。在足夠低的溫度下，這些成對的電子會凝結(jié)成超流體——一種沒有摩擦且電阻為零的物質(zhì)狀態(tài)。

在常規(guī)機(jī)制中，靠近電子的原子在空間上產(chǎn)生的位移會變成對另一個電子的吸引區(qū)。但是，一些理論研究表明，這種效應(yīng)應(yīng)該非常微弱，不足以解釋銅酸鹽的高溫超導(dǎo)性。因此有研究人員認(rèn)為，運(yùn)動中的電子的自旋或許會導(dǎo)致銅酸鹽中的磁有序（原子自旋的有序模式）發(fā)生偏差。

要了解這個機(jī)制是如何運(yùn)作的，我們可以研究一下銅酸鹽超導(dǎo)體La1.85Ba0.15CuO4，它是通過用鋇（Ba）取代化合物L(fēng)a2CuO4中的一些鑭（La）而得到的。當(dāng)La2CuO4中部分的鑭被鋇取代時，一種名為空穴的電子空位會通過一種摻雜過程而被引入到系統(tǒng)中。Cu??離子與這些空穴結(jié)合在一起，對周圍Cu2+離子的自旋方向造成嚴(yán)重干擾，于是，這種與空穴摻雜有關(guān)的磁性變化導(dǎo)致了配對的出現(xiàn)。

在元素周期表中，鎳就緊挨在銅的旁邊。自從銅酸鹽超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們就夢想能以鎳（Ni）為基礎(chǔ)制造出類似的氧化物材料。但是，要為鎳氧化物制造有利于超導(dǎo)性的原子結(jié)構(gòu)是極度困難的。在過去30年左右的時間里，科學(xué)家們一直試圖在LaNiO?和NdNiO?等化合物中尋找超導(dǎo)性，它們是由鑭/釹與NiO?的平面交替而成的。

在這類材料中，Ni1+離子所扮演的角色與Cu2+離子在La1.85Ba0.15CuO4中類似，它們都具有相同的超導(dǎo)誘導(dǎo)作用。有幾個不同的研究小組成功地制備出了粉狀和薄膜狀的LaNiO2和NdNiO2，不過并沒有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性，但也沒有出現(xiàn)磁序的跡象。

○ 為了創(chuàng)造出一種新型的超導(dǎo)材料，SLAC和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家首先用一種叫做鈣鈦礦的普通材料制成了薄膜（左），然后“摻雜”了鍶（Sr）；然后將它暴露在一種剔除了一層氧原子的化學(xué)物質(zhì)中。這使得薄膜翻轉(zhuǎn)成一種不同的原子結(jié)構(gòu)，稱為鎳酸鹽。試驗表明，這種鎳酸鹽能以零電阻導(dǎo)電。| 圖片來源：李丹峰/SLAC國家加速器實驗室、斯坦福大學(xué)）

在新的研究中，研究人員制備了一層NdNiO2薄膜。然后用Sr2+（鍶）離子來取代NdNiO2中的部分Nd3+（釹）離子，使薄膜有空穴摻雜。他們發(fā)現(xiàn)，生成的材料Nd0.8Sr0.2NiO2最高能在15K的溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)。

這意味著，科學(xué)家經(jīng)過30多年的努力，終于發(fā)現(xiàn)了一種能在如此高溫下具有超導(dǎo)性的非銅酸鹽化合物。但是，有別于銅酸鹽的是，在低于1.7K的溫度下，NdNiO2中并沒有出現(xiàn)磁有序的跡象。因此，這一發(fā)現(xiàn)或許表明，磁性并非銅酸鹽具有超導(dǎo)性的唯一原因。

不過，這一結(jié)論成立的前提是銅酸鹽和空穴摻雜的NdNiO2具有相似的電子結(jié)構(gòu)，但真實情況有可能并非如此。因為這種新材料在一些基本方面似乎與銅酸鹽非常不同。例如，它可能不包含所有超導(dǎo)銅酸鹽都具有的一種磁性，這或許就能推翻有關(guān)這些非常規(guī)超導(dǎo)體是如何工作的主要理論。因此，在得出銅酸鹽和空穴摻雜的NdNiO2擁有相似的電子結(jié)構(gòu)這一結(jié)論之前，還有許多問題需要解決。

未來，物理學(xué)家們或許會著手研究NdNiO2中的鎳離子是否為Ni1+離子，確定摻雜空穴態(tài)的局域?qū)ΨQ性和自旋，以及研究材料轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)態(tài)的溫度會如何隨空穴摻雜變化。盡管未知的問題還有很多，但這項新的研究或許能徹底改變我們對銅酸鹽和類銅酸鹽系統(tǒng)的超導(dǎo)性的理解，從而讓產(chǎn)生一批全新的高溫超導(dǎo)體成為可能。

參考來源：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02518-3

https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-08-28-first-report-superconductivity-nickel-oxide-material.aspx