強(qiáng)磁場不再是超導(dǎo)死敵，中國團(tuán)隊(duì)首次讓鎳基超導(dǎo)“死而復(fù)生”

物理學(xué)有一條規(guī)律：磁場是超導(dǎo)的死敵，強(qiáng)磁場會破壞超導(dǎo)態(tài)。

然而，近期的一項(xiàng)研究打破了這種固有規(guī)律。來自香港城市大學(xué)李丹楓副教授團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)薛其坤院士-陳卓昱副教授等團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)了一種反常的現(xiàn)象：磁場先抑制低場超導(dǎo)，再誘導(dǎo)出第二個(gè)高場超導(dǎo)相。

研究人員在摻雜稀土元素銪（Eu）的無限層鎳氧化物超導(dǎo)體中，發(fā)現(xiàn)了“重入超導(dǎo)”（re-entrant superconductivity）現(xiàn)象，即強(qiáng)磁場不僅未破壞超導(dǎo)，反而讓消失的超導(dǎo)電性“死而復(fù)生”。

李丹楓對 DeepTech 表示：“我們首次在鎳基高溫超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)重入超導(dǎo)現(xiàn)象，無論對材料的認(rèn)知、溫度拓展，還是將維度拓展到新場景，都具有重要的意義。”

圖丨李丹楓（來源：受訪者）

這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了高溫超導(dǎo)材料中稀土磁性與超導(dǎo)之間的復(fù)雜相互作用，該材料在高摻雜下無法為現(xiàn)有機(jī)制所簡單解釋的現(xiàn)象，更提供了全新平臺：高溫超導(dǎo)體系中可能實(shí)現(xiàn)自旋三重態(tài)等有趣的物理機(jī)制，以及鐵磁序與超導(dǎo)之間可能的競爭或相互關(guān)聯(lián)影響，有望帶來全新物理圖像或機(jī)制。

相關(guān)論文以《銪摻雜無限層鎳氧化物中的磁場誘導(dǎo)重入超導(dǎo)》（Field re-entrant superconductivity in Eu-doped infinite-layer nickelates）為題發(fā)表在 Nature[1]。

香港城市大學(xué)博士后楊明衛(wèi)、湯家音、南方科技大學(xué)博士生吳顯峰是論文共同第一作者，香港城市大學(xué)李丹楓副教授、南方科技大學(xué)陳卓昱副教授和粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心汪恒副研究員擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

磁場曾是超導(dǎo)的“死對頭”

盡管此前重入超導(dǎo)現(xiàn)象在重費(fèi)米子等體系中出現(xiàn)過，但該體系的轉(zhuǎn)變溫度較低，接近絕對零度。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過 30K 的高溫體系中，重入超導(dǎo)始終是個(gè)新穎的“未解之謎”。

此前，銅基高溫超導(dǎo)體中未觀察到磁場增強(qiáng)超導(dǎo)的跡象；盡管鐵基超導(dǎo)體存在多帶競爭導(dǎo)致的復(fù)雜臨界場行為，但并不具備真正的再入特征。高溫超導(dǎo)和磁場誘導(dǎo)再入超導(dǎo)，看上去似乎并無交集。

2019 年，美國斯坦福大學(xué) Harold Hwang 教授課題組首次發(fā)現(xiàn)了無限層鎳氧化物超導(dǎo)體 [2]。值得關(guān)注的是，鎳氧化物超導(dǎo)體臨界溫度為 15K，電子結(jié)構(gòu)與銅基高溫超導(dǎo)體相似，卻具有許多不同的特性。這一發(fā)現(xiàn)開辟了全新的研究領(lǐng)域，鎳氧化物超導(dǎo)材料成為高溫超導(dǎo)體的新家族。

彼時(shí)，李丹楓是該課題組博士后，也是相關(guān)論文第一作者兼共同通訊作者，他同時(shí)是 2022 年《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國區(qū)入選者之一。

（來源：Nature）

本次 Nature 的研究首次在較高轉(zhuǎn)變溫度（32K）的氧化物超導(dǎo)體中，實(shí)現(xiàn)了與重費(fèi)米子體系中的奇異量子態(tài)類似的現(xiàn)象。

“我們在高磁場下發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)重入，領(lǐng)域開始進(jìn)一步審視新的磁相互作用與超導(dǎo)之間的聯(lián)系，以及在高溫超導(dǎo)體系中，高磁場下重入的超導(dǎo)態(tài)是否與非平庸的自旋三重態(tài)有關(guān)系?！崩畹鞅硎?。

磁場補(bǔ)償：內(nèi)部“交換場”的奇妙抵消

研究團(tuán)隊(duì)利用釤（Sm）位點(diǎn)的摻雜工程，制備了無限層鎳氧化物超導(dǎo)體（Sm?.??-xCa?.??Eu?NiO?）薄膜。通過精細(xì)調(diào)控銪（Eu）的摻雜濃度，研究人員在過摻雜區(qū)域捕捉到了反常行為：隨著磁場的增強(qiáng)，該材料表現(xiàn)出從超導(dǎo)到正常態(tài)再重新進(jìn)入超導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。

在磁場超過一定值時(shí)，可以系統(tǒng)性觀察到電阻歸零和邁斯納抗磁效應(yīng)——原本消失的超導(dǎo)態(tài)卷土重來，并在很大的磁場區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定存在。在一些樣品中，該高場超導(dǎo)相在最高 45T 的穩(wěn)態(tài)磁場下仍可保持。

李丹楓進(jìn)一步說道：“在銪含量較高的情況下，磁場通常能相對容易地抑制超導(dǎo)，導(dǎo)致在相對不是特別高的磁場下，我們又重新看到了超導(dǎo)再進(jìn)入現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)非常令人振奮，因?yàn)檫@確實(shí)反直覺?！?/p>

（來源：Nature）

為深入研究“第二個(gè)超導(dǎo)態(tài)”，在磁場下能夠被抑制的程度，以及隨著磁場增加這種高場下的超導(dǎo)態(tài)會表現(xiàn)出哪些有趣的性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心和華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心建立了合作。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置和脈沖強(qiáng)磁場裝置為研究提供了有力支撐，也體現(xiàn)了國家科研基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)力。

傳統(tǒng)的重入超導(dǎo)現(xiàn)象需要苛刻的磁場角度配合，往往僅限于在極窄的范圍內(nèi)（約 2°-10°）出現(xiàn)。然而，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鎳基體系的重入超導(dǎo)的獨(dú)特性在于，它具有全角度魯棒性：在 0°-90°的完整范圍內(nèi)皆可穩(wěn)定存在。

在數(shù)據(jù)擬合階段，研究人員對不同摻雜濃度的超導(dǎo)重入行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在相對中等摻雜濃度時(shí)，磁場抵消機(jī)制（Jaccarino-Peter 機(jī)制）可用簡單的方法解釋：盡管外磁場在增加，但由于銪元素的存在，通過降低電子所感受到的有效磁場實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)重入。

（來源：Nature）

但隨著摻雜濃度的上升，高磁場下的超導(dǎo)態(tài)反而比低場態(tài)更穩(wěn)健。此時(shí)，已經(jīng)不能夠用簡單的模型完全擬合。這意味著，經(jīng)典的磁場抵消機(jī)制難以解釋其物理本質(zhì)，也暗示著磁關(guān)聯(lián)誘導(dǎo)的非常規(guī)配對（例如可能的自旋三重態(tài)）具有關(guān)鍵作用，為超導(dǎo)物理研究提供了全新的視角。

此外，研究團(tuán)隊(duì)在磁場和低溫條件下對電阻進(jìn)行測量，并觀察到一系列新奇的物理輸運(yùn)特征。在過摻雜樣品中，它不僅表現(xiàn)出線性霍爾效應(yīng)，還表現(xiàn)出明顯的非線性特征，并在強(qiáng)場下趨于飽和；與此同時(shí)，磁電阻曲線呈現(xiàn)出明顯的磁滯回線，這種溫度依賴關(guān)系暗示系統(tǒng)或許存在時(shí)間反演對稱性破缺。

這些現(xiàn)象表明，銪的局域磁矩可能基于增強(qiáng)的自旋-軌道耦合誘導(dǎo)出復(fù)雜的磁性關(guān)聯(lián)，并與傳導(dǎo)電子發(fā)生非常規(guī)的相互作用，從而對超導(dǎo)配對的穩(wěn)定性造成影響。

李丹楓表示：“我們從測量樣品的過程中觀察到它們運(yùn)輸特性，但僅僅通過電阻測量，很難斷定其中存在鐵磁性。這也留下了一個(gè)有趣的開放性問題，在高摻雜區(qū)域下，未來可借助更有效、更相關(guān)的手段來研究它的鐵磁性或磁有序等?！?/p>

強(qiáng)場下穩(wěn)定超導(dǎo)：通向高磁場應(yīng)用的新可能

目前，高溫超導(dǎo)材料（或更廣泛的超導(dǎo)材料）的應(yīng)用多數(shù)集中在穩(wěn)態(tài)磁場上。基于超導(dǎo)的無損耗特性，通電流能產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁場。但磁場通常對超導(dǎo)具有抑制作用，因此在實(shí)際應(yīng)用中，如何開發(fā)出除了臨界溫度高以外，還能夠承受較高磁場的超導(dǎo)體是一個(gè)重要課題。

用超導(dǎo)材料產(chǎn)生大的高穩(wěn)態(tài)磁場，是超導(dǎo)最重要的應(yīng)用方向之一。那些能在高場下天然處于非常穩(wěn)定超導(dǎo)態(tài)的材料自然是合理的選擇。它們不像傳統(tǒng)超導(dǎo)體隨著磁場增加而急劇被抑制，后者恰恰會限制其在穩(wěn)態(tài)磁場方面的應(yīng)用。

現(xiàn)階段，鎳基超導(dǎo)材料仍存在相關(guān)應(yīng)用限制：塊體材料需高壓才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，薄膜材料又受制于形式本身。從物理機(jī)制上來看，厘清高場下的超導(dǎo)態(tài)特性及物理本質(zhì)，有助于理解和開發(fā)在高場下能夠應(yīng)用的新型高溫超導(dǎo)材料。

在該研究中，重入超導(dǎo)啟動場所需的強(qiáng)度與醫(yī)用磁共振成像（MRI）強(qiáng)度相近。MRI 常用的鈮基材料雖能在幾特斯拉下保持超導(dǎo)特性，但銅基、鎳基等高溫超導(dǎo)材料的臨界磁場可達(dá)幾十甚至上百特斯拉。

“未來若 MRI 采用高溫超導(dǎo)材料，可產(chǎn)生更大磁場，顯著提升成像質(zhì)量與精度。目前，以銅基為主的高溫超導(dǎo)帶材已有原型機(jī)應(yīng)用于核磁設(shè)備，但商用尚處于早期階段。”李丹楓表示。

盡管該材料目前以基礎(chǔ)研究為主，暫未達(dá)到實(shí)用化條件，但超導(dǎo)的應(yīng)用始終離不開磁場以及磁相互作用的聯(lián)系。在磁場，尤其是高磁場下發(fā)現(xiàn)的反常規(guī)超導(dǎo)現(xiàn)象，有可能對超導(dǎo)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)高磁場應(yīng)用的主要場景帶來重要的影響。這不僅可能帶來新的認(rèn)知，也涉及到未來對新材料體系的設(shè)計(jì)。

在未來的研究階段中，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在兩方面對物理機(jī)制展開研究：一方面，深入探索材料，比如改變一些非磁性元素的摻雜濃度，來驗(yàn)證基本物理圖像。另一方面，希望借助更多先進(jìn)、直接探測的實(shí)驗(yàn)手段，在過摻雜區(qū)域進(jìn)一步厘清磁場和超導(dǎo)之間的關(guān)系。

此外，他們還將繼續(xù)探索，在過摻雜區(qū)域超導(dǎo)受到抑制以外，是否有新的序參量或新的相產(chǎn)生，以及在電阻和磁阻方面的物理特性。

總體來說，這項(xiàng)研究為理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子超導(dǎo)體系中的磁電相互作用提供了一種新的視角。銪摻雜鎳氧化物作為一個(gè)獨(dú)特的材料平臺，能夠在強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物中探索磁場與超導(dǎo)共存的微觀機(jī)制，也為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究開辟了新的實(shí)驗(yàn)方向。

參考資料：

1.Yang, M., Tang, J., Wu, X. et al. Field re-entrant superconductivity in Eu-doped infinite-layer nickelates. Nature(2026) . https://doi.org/10.1038/s41586-026-10547-y

2.Li, D., Lee, K., Wang, B.Y. et al. Superconductivity in an infinite-layer nickelate. Nature 572, 624–627 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1496-5

運(yùn)營/排版：何晨龍