揭示 La3Ni2O7 中非均匀超导起源

为什么微小的超导岛重要

超导体——以零电阻传输电流的材料——承诺实现极高效的输电、强大的磁体和更快的电子器件。最近出现的一类基于镍而非铜的材料令人震惊：在非常高的温度下表现出超导性，但仅在被金刚石砧挤压到极高压力时才出现。本文提出了一个看似简单却影响深远的问题：当这些镍基晶体“进入超导”状态时，是整个晶体都参与，还是只有小区域参与？究竟是什么在控制超导出现与消失的位置？

在极端压力下观察隐秘的电流

为了解答这个问题，作者研究了名为 La3Ni2O7 的化合物，这是一种层状镍氧化物，在被压到超过大气压十万倍的压力时，其临界温度超过液氮沸点而变为超导。在如此极端条件下，通常难以进行精细成像。研究团队则将压力腔本身变成显微镜：在一只金刚石砧表面下方植入了薄薄的一层特殊原子尺度缺陷——氮空位中心（NV 中心）。这些量子传感器会根据局部磁场和内部应力发出不同的荧光，使研究者能够在样品受压时以亚微米分辨率对磁性和压力进行宽域“成像”。

在实空间绘制斑驳的超导性

当材料变为超导时，它会将内部的磁场排斥出去——这是迈斯纳效应的标志。通过冷却 La3Ni2O7、施加微弱磁场并在金刚石表面读取量子传感器的信号，作者重建了样品上方磁场的详细分布图。磁场被抑制的区域对应超导斑块；磁场增强的区域则显示磁力线被挤开或聚拢的位置。这些图像表明 La3Ni2O7 的超导并不均匀：不是整个晶体同时转变为超导，而是仅有不规则的、微米尺度的口袋状区域出现超导，其形状和位置会随着压力与温度的变化而移动。团队还观察到，在有场冷却时样品中被困的磁通也局限于与最强超导响应重合的局部区域内。

压迫与滑移应力如何助益或抑制

由于相同的量子缺陷对机械应变也敏感，研究者能够同时重建样品所受的挤压情况。他们区分了法向应力（直接向下压迫晶体）与剪切应力（使层之间发生滑移的应力）。通过像素级地将磁学行为与这两种应力分量相关联，他们显示出超导首先在经历高于平均法向应力的斑点中出现，这有助于解释为什么体测量显示的起始压力是在一个名义压力范围内分布。更出人意料的是，当剪切应力超过大约 2 吉帕时，超导会被强烈抑制甚至完全消失，即便法向压缩条件本来是有利的。由此得出一个更精细的三维相图：温度、竖向压力与横向剪切共同决定任何给定微观区域是否处于超导态。

化学条纹与超导口袋

随后团队转向化学成分有意不均匀的样品。在一块晶体中，通过能量色散 X 射线谱（EDS）测得镧与镍的比例呈宽条纹状变化。整体上，这个样品并未表现出电阻明显下降（通常是超导的标志）。然而量子磁学图像却显示出一些在低温下变为抗磁的小而清晰的口袋。当作者将磁性图与化学成分图叠加时发现，这些口袋恰好位于局部成分最接近理想 3:2 镧对镍比例的位置。过多镍或过多镧的区域则根本无法超导。换言之，该材料可以容纳分布稀疏、无法主导整体电阻但在局部磁图中清晰可见的超导岛屿。

将缺陷变为路线图

综合来看，这些实验证明在高压下的 La3Ni2O7 高温超导既脆弱又对微观环境高度敏感。局部的压力、剪切与化学计量的变化将晶体切割成超导与非超导区域的拼图，解释了为什么宏观测量常常看到微弱或“丝状”信号。通过把这种不均匀性视作一种特征而非缺陷，作者利用单晶绘出不同应力与成分组合如何促进或破坏超导性。对非专业读者而言，关键信息是：要制造更好的镍酸盐超导体，不仅需要合适的平均压力或化学成分——还必须精确控制那些决定超流能否出现以及多么稳健的微小机械和化学变化。

引用: Mandyam, S.V., Wang, E., Wang, Z. et al. Uncovering origins of heterogeneous superconductivity in La₃Ni₂O₇. Nature 651, 54–60 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10095-x

关键词: 镍酸盐超导体, 高压物理, 量子传感, 应变工程, La3Ni2O7