強磁場不再是超導死敵，中國團隊首次讓鎳基超導“死而復生”

物理學有一條規律：磁場是超導的死敵，強磁場會破壞超導態。

然而，近期的一項研究打破了這種固有規律。來自香港城市大學李丹楓副教授團隊與南方科技大學薛其坤院士-陳卓昱副教授等團隊合作，發現了一種反常的現象：磁場先抑制低場超導，再誘導出第二個高場超導相。

研究人員在摻雜稀土元素銪（Eu）的無限層鎳氧化物超導體中，發現了“重入超導”（re-entrant superconductivity）現象，即強磁場不僅未破壞超導，反而讓消失的超導電性“死而復生”。

李丹楓對 DeepTech 表示：“我們首次在鎳基高溫超導體系中發現重入超導現象，無論對材料的認知、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）

這一發現不僅揭示了高溫超導材料中稀土磁性與超導之間的復雜相互作用，該材料在高摻雜下無法為現有機制所簡單解釋的現象，更提供了全新平臺：高溫超導體系中可能實現自旋三重態等有趣的物理機制，以及鐵磁序與超導之間可能的競爭或相互關聯影響，有望帶來全新物理圖像或機制。

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

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

圖丨相關論文（來源：Nature）

磁場曾是超導的“死對頭”

盡管此前重入超導現象在重費米子等體系中出現過，但該體系的轉變溫度較低，接近絕對零度。在超導轉變溫度超過 30K 的高溫體系中，重入超導始終是個新穎的“未解之謎”。

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

2019 年，美國斯坦福大學 Harold Hwang 教授課題組首次發現了無限層鎳氧化物超導體 [2]。值得關注的是，鎳氧化物超導體臨界溫度為 15K，電子結構與銅基高溫超導體相似，卻具有許多不同的特性。這一發現開辟了全新的研究領域，鎳氧化物超導材料成為高溫超導體的新家族。

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

（來源：Nature）

本次 Nature 的研究首次在較高轉變溫度（32K）的氧化物超導體中，實現了與重費米子體系中的奇異量子態類似的現象。

“我們在高磁場下發現超導重入，領域開始進一步審視新的磁相互作用與超導之間的聯系，以及在高溫超導體系中，高磁場下重入的超導態是否與非平庸的自旋三重態有關系。”李丹楓表示。

磁場補償：內部“交換場”的奇妙抵消

研究團隊利用釤（Sm）位點的摻雜工程，制備了無限層鎳氧化物超導體（Sm?.??-xCa?.??Eu?NiO?）薄膜。通過精細調控銪（Eu）的摻雜濃度，研究人員在過摻雜區域捕捉到了反常行為：隨著磁場的增強，該材料表現出從超導到正常態再重新進入超導的轉變。

在磁場超過一定值時，可以系統性觀察到電阻歸零和邁斯納抗磁效應——原本消失的超導態卷土重來，并在很大的磁場區間內穩定存在。在一些樣品中，該高場超導相在最高 45T 的穩態磁場下仍可保持。

李丹楓進一步說道：“在銪含量較高的情況下，磁場通常能相對容易地抑制超導，導致在相對不是特別高的磁場下，我們又重新看到了超導再進入現象。這一發現非常令人振奮，因為這確實反直覺。”

（來源：Nature）

為深入研究“第二個超導態”，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態會表現出哪些有趣的性質，研究團隊與中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心和華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心建立了合作。穩態強磁場裝置和脈沖強磁場裝置為研究提供了有力支撐，也體現了國家科研基礎設施實力。

傳統的重入超導現象需要苛刻的磁場角度配合，往往僅限于在極窄的范圍內（約 2°-10°）出現。然而，研究團隊發現，鎳基體系的重入超導的獨特性在于，它具有全角度魯棒性：在 0°-90°的完整范圍內皆可穩定存在。

在數據擬合階段，研究人員對不同摻雜濃度的超導重入行為進行分析，發現在相對中等摻雜濃度時，磁場抵消機制（Jaccarino-Peter 機制）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現了超導重入。

（來源：Nature）

但隨著摻雜濃度的上升，高磁場下的超導態反而比低場態更穩健。此時，已經不能夠用簡單的模型完全擬合。這意味著，經典的磁場抵消機制難以解釋其物理本質，也暗示著磁關聯誘導的非常規配對（例如可能的自旋三重態）具有關鍵作用，為超導物理研究提供了全新的視角。

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

這些現象表明，銪的局域磁矩可能基于增強的自旋-軌道耦合誘導出復雜的磁性關聯，并與傳導電子發生非常規的相互作用，從而對超導配對的穩定性造成影響。

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。這也留下了一個有趣的開放性問題，在高摻雜區域下，未來可借助更有效、更相關的手段來研究它的鐵磁性或磁有序等。”

強場下穩定超導：通向高磁場應用的新可能

目前，高溫超導材料（或更廣泛的超導材料）的應用多數集中在穩態磁場上。基于超導的無損耗特性，通電流能產生穩態磁場。但磁場通常對超導具有抑制作用，因此在實際應用中，如何開發出除了臨界溫度高以外，還能夠承受較高磁場的超導體是一個重要課題。

用超導材料產生大的高穩態磁場，是超導最重要的應用方向之一。那些能在高場下天然處于非常穩定超導態的材料自然是合理的選擇。它們不像傳統超導體隨著磁場增加而急劇被抑制，后者恰恰會限制其在穩態磁場方面的應用。

現階段，鎳基超導材料仍存在相關應用限制：塊體材料需高壓才能實現超導，薄膜材料又受制于形式本身。從物理機制上來看，厘清高場下的超導態特性及物理本質，有助于理解和開發在高場下能夠應用的新型高溫超導材料。

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

“未來若 MRI 采用高溫超導材料，可產生更大磁場，顯著提升成像質量與精度。目前，以銅基為主的高溫超導帶材已有原型機應用于核磁設備，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研究為主，暫未達到實用化條件，但超導的應用始終離不開磁場以及磁相互作用的聯系。在磁場，尤其是高磁場下發現的反常規超導現象，有可能對超導產生穩態高磁場應用的主要場景帶來重要的影響。這不僅可能帶來新的認知，也涉及到未來對新材料體系的設計。

在未來的研究階段中，研究團隊計劃在兩方面對物理機制展開研究：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，來驗證基本物理圖像。另一方面，希望借助更多先進、直接探測的實驗手段，在過摻雜區域進一步厘清磁場和超導之間的關系。

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

總體來說，這項研究為理解強關聯電子超導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獨特的材料平臺，能夠在強關聯氧化物中探索磁場與超導共存的微觀機制，也為高溫超導機理研究開辟了新的實驗方向。

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

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