浙江大学和中山大学的研究人员在前期研究中发现的一种材料中，收集到了零电阻高温超导和奇特金属行为的证据。

他们的研究成果发表在《自然物理学》杂志上，凸显了这种材料在研究这些罕见物理特性以及最终利用它们开发创新电子设备方面的前景。

“高温超导是凝聚态物理学领域最有趣的难题之一，”该项目负责人袁惠球教授告诉Phys.org。

“它有可能通过制造由液氮冷却(高于-195.8°C或77.4K)的超导电子设备来彻底改变技术。因此，追求具有高转变温度的超导体并了解其机制是凝聚态物理学中最引人注目的目标之一。”

高温超导体是一种备受追捧的材料，因为它们有助于开发新型电子产品。因此，任何高温超导迹象都会引起研究人员和电子公司的极大关注。

2023年，中山大学翁孟教授带领的研究团队报告，在镍酸盐块体材料La3Ni2O7中，发现在低于80K的温度下具有超导性。由于80K高于液氮的沸点，这一发现本身就是一项突破，但也存在一些局限性。

袁教授表示：“王教授最初的发现中有一个重大缺陷，就是缺乏零电阻，而零电阻是超导体最显著的特征。”

“而主要的挑战是，这种材料只有在至少14千兆帕(近140,000个大气压)的压力下才能观察到高温超导性。因此，高精度测量和专门的高压设备对于进一步的研究至关重要。”

为了进一步研究La3Ni2O7，中山大学的研究人员与浙江大学关联物质研究中心(CCM)袁教授团队展开合作，该中心专门研究极端条件下的强关联材料。

袁教授承认，王教授初始报告中没有出现零阻力的原因可能是样品本身的不均匀性，以及KBr粉末固体压力介质造成的压力条件。

因此，研究人员开始开展一项新研究，使用新样本和不同的压力条件来研究该材料的特性。具体来说，袁教授建议使用微小样本和更好的静水压力条件，因为这些元素可能是观察零阻力的关键。

“巧合的是，我们的团队最近改进了高压技术，通过在金刚石压砧中应用液体压力介质，适用于产生均匀(静水)压力，并使用银浆在100毫米长度的微小样本上建立电接触，”该论文的共同通讯作者之一，关联物质中心的教员林娇教授解释说。

“使用此方法测量高压下La3Ni2O7的电阻后，我们观察到当冷却到66K以下时电阻急剧下降，这表明超导性的开始。”

研究人员进一步冷却该材料，发现其电阻在40K以下达到零。他们的实验由此获得了La3Ni2O7在压力下表现出高温超导性的证据。随着论文的发表，科学家们更加确信La3Ni2O7确实是一种高温超导体。

袁教授表示：“研究La3Ni2O7的主要挑战在于其亚稳态化学成分。”

“这导致人​​们认为即使在微米尺度上，La3Ni2O7中也存在大量晶体缺陷、相边界、界面和不同成分的共存。为了解决这些问题，测量了微小的单晶(约100*100*20微米)，并施加了前面提到的准静水压力。”

左图为不同压力下La3Ni2O7的电阻随温度的变化;右图为该化合物的压力-温度相图和载流子浓度随压力的变化(插图)。来源：Zhang等人。

本质上，袁教授和他的同事将一小块单晶材料放在两个钻石砧座之间，用液体介质填充嵌入砧座表面的垫圈。他们用银浆将四到五根金线(每根厚度约为15微米)粘在样品表面，以确保良好的电接触。

研究人员随后对样品施加高压，使其压缩，然后将其冷却至几开尔文。通过测量样品的电阻以及其所处的温度和压力，他们证明了其零电阻。

“我们最重要和最值得注意的发现是，La3Ni2O7的电阻在冷却至66K以下时开始急剧下降，并在40K左右降至零，”袁教授说。“这项实验提供了至关重要和令人信服的证据，证明La3Ni2O7是一种高温超导体，与铜酸盐和铁-磷化物一起跻身非常规高温超导体行列。”

除了收集La3Ni2O7中零电阻高温超导性的证据外，这项最新研究还深入了解了这种状态背后的物理原理。事实上，研究人员在压力下观察到了样品中明显奇怪的金属行为，揭示了这种行为与超导性之间的联系。

袁教授表示：“‘奇异金属’是指一类材料，它们大部分会通过非热参数调节，表现出非常规的超导性和/或零温度量子相变，而这无法用我们现有的基于朗道理论的知识来描述。”

“这表明电荷载体的行为已经偏离了传统行为，它们似乎不再只是充当电子。正如我们在La3Ni2O7中观察到的那样，奇异金属的一个典型特征是电阻与温度呈线性关系(T线性电阻)。”

由于La3Ni2O7表现出奇异的金属行为，其超导机制应与Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理论所描述的机制截然不同，后者解释了简单金属和合金的典型超导性。袁教授及其同事相信，他们的研究结果也适用于其他表现出奇异金属行为的非常规超导体。

袁教授表示：“我们还发现，在跨越压力诱导的结构相变时，霍尔系数的逆值会显著增加，这表明高压阶段电子结构的改变对于超导性的出现至关重要。”

袁教授、翁教授及其团队的最新研究为高温超导性及其在电子学中的应用研究开辟了新的有趣机会。研究人员计划继续探索La3Ni2O7的物理特性，同时研究其他非常规超导体。

“我们对这一新型高温超导体的了解仍处于早期阶段，还有许多工作要做，”袁教授说。“正如这项研究和其他研究显示的那样，镍酸盐的超导性似乎对原子组成极为敏感，尤其是当氧原子数量不足时。”

不同镍酸盐的超导性与其他已报道的高温超导体家族的超导性之间的相似性暗示了镍酸盐在高温下也可能是超导体的可能性，但可能不需要高压。

在接下来的研究中，研究人员计划找到更合适的候选化合物，这将使他们能够从化学成分和晶体结构方面揭示超导的关键成分。

王猛教授表示：“我们一直在提高La3Ni2O7样品的质量，并寻找其他相关材料，因为这样可以进行更多的测量，包括序参数、超导性和结构相变之间的关系等等。”

“最近，人们发现了其他镍酸盐化合物具有超导性的证据，例如La4Ni3O10。这不仅扩大了镍酸盐超导体家族，也为深入研究提供了相对稳定的化合物。然而，提高样品质量和降低超导转变所需的压力仍然是当务之急。”