镍基超导的“中国速度”：从80K到96K再到磁场重入，QD设备全程见证
发布日期：2026-06-08
——三篇Nature背后的科学突破与QD设备的科学之眼
引言：一个全新的高温超导家族
2023年7月到2026年4月，不到三年的时间里，中国科学家在镍基超导领域完成了三项里程碑式的突破，连续在《自然》杂志发表三篇重磅论文。从中山大学王猛团队首次发现液氮温区镍基超导，到山东大学张俊杰团队将超导温度刷新至96K并证实体超导，再到南方科技大学/清华大学薛其坤院士团队发现颠覆认知的“磁场重入超导”——中国在该领域已形成完整的“发现—优化—新现象”研究链条，走在世界前列。
镍基超导也因此成为继铜氧化物之后，第二类可在液氮温区实现超导的非常规超导体系。这一突破为破解困扰物理学界近40年的高温超导机理问题提供了全新的材料平台。
贯穿这三项工作的，除了中国科学家的智慧与坚持，还有一条值得关注的“技术暗线”——Quantum Design公司的完全无液氦综合物性测量系统 - PPMS DynaCool 和全新一代磁学测量系统-MPMS3。这三篇论文无一例外使用了这些设备，它们为每一次重大发现提供了关键的物性表征数据。本文将从科学突破与测量技术两个维度，系统梳理镍基超导研究的进展与价值。
第一篇章：从0到1，液氮温区镍基超导的诞生（2023）
1.1 科学背景与挑战
自1986年铜氧化物高温超导发现以来，科学家在镍等过渡金属化合物中探索超导电性已近40年，却始终未有突破性进展。高温超导机理被《科学》杂志列为“人类125个未解决的关键科学问题”之一。铜氧化物曾是唯一在液氮温区（77K）以上实现超导的非常规超导体系。
中山大学王猛团队选择双层Ruddlesden-Popper相镍酸盐La₃Ni₂O₇作为研究对象。该材料的平均价态为+2.5价，偏离Ni的稳定价态+2价，氧压范围极窄，单晶生长条件极为苛刻。团队花费两年多时间才摸索出合适的生长条件。
1.2 核心发现
团队将La₃Ni₂O₇单晶置于高压环境下进行综合物性测量，取得以下关键发现：
图1. La3Ni2O7单晶样品高压下的电阻、抗磁性及超导上临界磁场拟合
1.3 科学价值
这是中国科学家在全球率先发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料。论文审稿人评价其“具有突出重要性”“是开创性发现”。该工作为破解高温超导机理提供了全新的材料平台，开启了镍基超导研究的新方向。
第二篇章：体超导与96K新纪录（2025）
2.1 镍基超导的两大瓶颈
到2025年初，镍基超导研究仍面临两大挑战：一是体块单晶依赖高压制备，且易于出现化学组分不均匀、氧空位以及单层-三层杂化Ruddlesden-Popper相共存等问题；二是最高超导转变温度仅80K，远低于铜基超导体的164K，且尚未明确证实体超导性质。
2.2 核心突破
山东大学张俊杰/陶绪堂团队在这两方面同时取得突破：
突破一：常压助熔剂法攻克单晶生长瓶颈
传统方法需10-15个大气压氧压，单晶质量不高。团队首创以K₂CO₃为助熔剂的常压助熔剂法，成功生长出高质量La₂SmNi₂O₇单晶。通过EDS、SXRD、NQR、STEM等多手段表征，证实晶体具有优异的均匀性和结晶质量，解决了镍基超导高质量单晶制备的“卡脖子”问题。
突破二：刷新镍基超导温度纪录
La₂SmNi₂O₇单晶在21.6GPa下的关键数据：
图2. La2SmNi2O7单晶样品高压下的电阻、抗磁性及超导上临界磁场拟合
突破三：发现“晶格畸变-Tc”规律，创造96K新纪录
团队系统分析了不同稀土元素（La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd等）取代后的晶体结构与超导性能关系，首次发现：常压下面内晶格畸变Δ=(a-b)/(a+b)与高压下最高Tc呈正相关——晶格畸变越大，超导温度越高。
基于这一规律，团队预测并验证了La1.57Sm1.43Ni2O7-δ单晶，其高压下Tconset高达96K，创造全球镍基超导最高温度纪录。团队进一步预测，晶格畸变更大的La0.87Nd2.13Ni2O7-δ高压下Tc有望突破100K。
图3. 镍基超导“晶格畸变-Tc提示”规律，La1.57Sm1.43Ni2O7-δ单晶高压下Tconset高达96K
2.3 科学价值
该工作首次明确证实镍基超导的体超导性质，解决了领域内的关键争议；发现的“晶格畸变-Tc提升”规律为设计与合成更高Tc的镍基超导材料提供了明确指导；常压助熔剂法提供了低成本、易推广的单晶制备方案，将极大推动该领域的发展。
第三篇章：磁场重入超导——颠覆认知的新现象（2026）
3.1 科学背景：从“磁场破坏超导”到“磁场增强超导”
在前两篇工作的基础上，镍基超导研究已确立了其作为第二类液氮温区非常规超导体系的地位。然而，一个更深层次的问题摆在研究者面前：稀土元素的磁性会如何影响镍基超导？这种影响能否带来全新的量子现象？
这正是南方科技大学薛其坤院士团队与香港城市大学李丹枫团队想要回答的问题。他们选择了一个巧妙的切入点：在无限层镍酸盐中引入磁性Eu²⁺离子（S=7/2），系统研究磁性掺杂对超导的调控作用。
在传统认知中，磁场与超导“水火不容”——磁性会通过轨道效应与塞曼效应破坏库珀对，导致超导电性消失。然而，在极少数特殊材料体系中，二者不仅可以共存，甚至能产生协同增强效应，催生出“重入超导”“自旋三重态超导”等新奇量子物相。
此前，这类现象仅在Chevrel相化合物、有机超导体、重费米子超导体等极低温体系（T_c通常<5K）中被发现。能否在镍基超导这一高温超导家族中实现磁场重入超导，是领域内长期悬而未决的重大问题。
3.2 核心发现：首次在高温超导家族中观测到“磁场重入”超导
南方科技大学薛其坤院士团队陈卓昱副教授与香港城市大学李丹枫团队合作，在Eu掺杂无限层镍酸盐Sm0.95-xCa0.05EuxNiO2 (SCEx)薄膜中取得了颠覆性发现。
发现一：超导-正常-超导的非单调转变
在过掺杂区（x ≈ 0.32–0.40），零场下的超导电性随磁场升高首先被抑制；但当磁场进一步增强后，超导态重新出现并稳定维持至45 T以上，在H-T-R相图中形成了清晰的“超导-正常-超导”非单调转变序列。其中x=0.34样品在6.23 T以上恢复零电阻态，同时互感测量也观测到了清晰的迈斯纳抗磁信号，双重验证了高场超导态的本征属性。
图4. 过掺杂SCEx样品的磁输运特性，展示了再入超导态。
发现二：全角度鲁棒性——打破传统认知
传统重入超导对磁场角度极为“挑剔”，通常仅在极窄角度窗口内出现（Chevrel相化合物和有机导体约2°-10°，重费米子超导体约30°）。而本工作发现SCEx具有全角度鲁棒性，远超此前报道体系。
图5. 过掺杂SCEx样品再进入超导态以及全角度鲁棒性
发现三：高掺杂区的反常行为
在x=0.40最高掺杂样品中，出现更反常的现象：低场超导在极低磁场（<1T）即被完全压制，而高场超导态却异常稳健。这超越了经典的Jaccarino-Peter补偿机制（Eu²⁺内禀交换场与外加磁场部分抵消）的解释范围，暗示可能存在磁关联诱导的非常规配对（如自旋三重态）。
发现四：非常规输运特征的揭示
研究还观察到一系列指向新奇物理的输运特征：过掺杂样品中霍尔电阻呈现明显非线性并在强场下饱和；磁电阻曲线表现出显著磁滞回线，其温度依赖关系暗示系统可能存在时间反演对称性破缺。这些现象表明Eu²⁺的局域磁矩可能通过强自旋-轨道耦合诱导出复杂磁性关联，与传导电子发生非平凡相互作用。
3.3 科学价值
该工作架起了连接高温超导与重费米子物理的桥梁，首次在较高转变温度（32K）的氧化物超导体中实现了此前仅见于极低温体系的奇异量子态。这为理解强关联电子体系中的磁电相互作用提供了新视角，并为探索非常规超导配对机制开辟了全新实验平台。
第四篇章：技术支撑丨PPMS与MPMS为何成为镍基超导研究的“标配”
纵观这三篇论文，Quantum Design的完全无液氦综合物性测量系统 - PPMS DynaCool 和全新一代磁学测量系统-MPMS3几乎出现在每一项关键测量中。这种高度的“出镜率”绝非偶然，而是源于这些设备的核心优势在镍基超导这一特殊研究场景中得到了充分体现。
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| 完全无液氦综合物性测量系统 - PPMS DynaCool | 全新一代磁学测量系统-MPMS3 |
优势一：长期稳定性与数据可靠性。 从2023年到2026年，三篇Nature论文跨越近三年，涉及中山大学、山东大学、香港城市大学、南方科技大学等多个独立研究组，分布在不同城市的PPMS和MPMS设备给出了可比较、可重复的高质量数据。这种跨时间、跨实验室的一致性，对于建立镍基超导这一全新材料体系的可信度至关重要。无论是王猛团队首次发现80K超导迹象，还是张俊杰团队确认体超导性质，抑或薛其坤/陈卓昱/李丹枫团队捕捉磁场重入现象，不同团队、不同设备得出的核心结论相互印证，形成了完整的研究链条。
优势二：高压极端条件的兼容性。 镍基超导研究的共性特点是“高压下显现超导”——王猛团队的80K发现需要14GPa以上压力，张俊杰团队的96K纪录需要21.6GPa。PPMS与金刚石对顶砧（DAC）技术的成熟结合，使研究人员可以在PPMS精确控温（低至2K）、精确控场（最高14T）的平台上完成几十GPa下的电阻测量，具有“高压+低温+磁场”的综合极端环境兼容能力。
优势三：综合丰富的表征能力。 超导体的确认需要“零电阻”和“完全抗磁”两个独立证据。PPMS专注于电输运测量（电阻率、霍尔系数、磁阻），MPMS专注于高灵敏磁学测量（直流磁化率、交流磁化率、磁滞回线）。张俊杰团队正是利用PPMS完成高压电阻测量、利用MPMS完成高压磁化率测量，以零电阻（73K）和抗磁信号（60K以下）双重证据确证了体超导性质。此外，PPMS还可结合不同选件实现热输运、比热、光电测量等多维度表征，为全面理解镍基超导的物理机制提供了可能。
优势四：模块化与可扩展性。 PPMS开放的温场、磁场环境和丰富的电学通道，为研究人员的定制化需求提供了可能。搭配Lakeshore M81测试仪，可实现多通道同步锁相测试。
图6. M81 SSM 新一代多通道高精度低噪声综合电学测试仪
第五篇章：总结与展望
三篇Nature论文串联起一条清晰的研究脉络：发现（2023）→ 优化与理解（2025）→ 新现象探索（2026）。中国科学家在镍基超导领域已形成完整的研究链条，走在世界前列。
从“0到1”的突破，到96K新纪录，再到磁场重入超导的颠覆性发现——中国科学家在镍基超导领域的每一次重大进展，都有完全无液氦综合物性测量系统 - PPMS DynaCool 和全新一代磁学测量系统-MPMS3的默默支撑。Quantum Design将继续致力于提供最可靠、最精确的综合物性测量解决方案，助力科学家在探索高温超导机理的道路上不断突破。
参考文献：
[1]. Sun et al., Nature 621, 493-498 (2023) | 中山大学王猛团队
[2]. Li et al., Nature 642, 58-63 (2025) | 山东大学张俊杰/陶绪堂团队
[3]. Yang et al., Nature, published online 23 April 2026 (2026) | 香港城市大学/南方科技大学薛其坤/陈卓昱/李丹枫团队
