颗粒状 Ta-Te 纳米线的超导性超越泡利极限

能无电阻传输电流的细线

从核磁共振成像设备到量子计算机，现代技术都依赖超导体——能够无能量损耗地传输电流的材料。但强磁场通常会破坏超导性，限制这些材料的应用场景。这项研究探索了由钽和碲（Ta-Te）制成的发丝般细线，它们在加压下变为超导体，并能在足以摧毁大多数其他超导体的磁场中保持工作，为更强大的磁体和更紧凑的器件打开了可能性。

从缠绕的纤维到一种新型导线

研究人员通过蒸气法生长了 Ta-Te 纳米线，得到黑色的、纤维状束状结构，厚度仅几十纳米——比人的头发细千倍以上。显微成像显示，每根纳米线并非光滑的单晶体，而是由许多约 10 纳米大小的晶粒串联而成，像竹节一样连接。化学成分映射证实了钽和碲在纳米线中分布均匀，X 射线衍射显示这些晶粒具有与相关材料已知的晶体结构相同的类型，尽管它们的取向是随机排列的。

在常态下表现得近乎绝缘体

当团队在常压下测量单根 Ta-Te 纳米线的电导时，发现了异常行为。随着温度下降，电阻先略有降低，然后在约 200 开尔文以下急剧上升，使纳米线表现得更像绝缘体而非金属。红外测量表明电子的能隙很小，低温时电阻的增长符合电子在一维无序体系中于局域化区域之间跳跃的模型。这提示电子被纳米线的颗粒状链式结构所束缚，阻碍了平滑的电流传输。

压缩纳米线直至出现超导

为了观察压力带来的变化，科学家们将 Ta-Te 纳米线束压缩到超过 50 吉帕——相当于数十万倍的大气压——同时从室温测到几开尔文的电阻。随着压力增加，材料逐渐从绝缘体转变为劣导体。在约 10.6 吉帕附近，低温时电阻突然降为零，标志着超导性的出现。随着压力进一步上升，超导临界温度形成了一个宽阔的“穹顶”，在大约 4 到 5 开尔文处达到峰值，然后在最高测试压力下又逐渐下降。

在强磁场中打破所谓的上限

这些 Ta-Te 纳米线的显著特征是它们对磁场的极强耐受性。在接近 20 到 30 吉帕的压力下，上临界场——超过该场强度超导被破坏——达到了约 16 特斯拉。相比之下，许多超导体受到所谓泡利极限的约束，该极限将最大磁场与转变温度联系起来。对于这些纳米线的较低临界温度，泡利极限预计大约为 7 到 8 特斯拉，因此纳米线能承受大约两倍的场强。在极低温下的精确测量确认这并非实验伪影，而是材料的内在特性。

结构与自旋如何助力突破规则

作者考察了为何这些纳米线能如此显著地超越预期极限。磁场破坏超导性主要有两种途径：影响电子自旋和使电子轨道运动形成会破坏配对态的模式。在典型超导体中，自旋效应通常决定上限。然而在 Ta-Te 纳米线中，晶体结构缺乏对称性，产生了强烈的自旋—轨道耦合，将电子自旋与其运动锁定，从而在超导态中保留了一些对自旋的“免疫”。这提高了本应由自旋效应破坏电子对的阈值。同时，相干长度——超导态保持均匀的距离——异常短，有利于实现非常高的轨道极限。颗粒状的一维结构与强自旋轨道效应共同作用，使轨道机制占主导并将上临界场推远超泡利极限。

对未来器件的意义

总之，这项研究表明，精心设计的纳米线可以在极强磁场下表现为稳健的超导体，即便其工作温度并不高。颗粒状 Ta-Te 纳米线兼具易合成、机械柔性和出色的抗磁性，使其成为下一代高场应用的有前景候选材料，从紧凑型磁体到专用量子器件。同时，它们为物理学家提供了一个干净的平台，以探索维度、无序和自旋—轨道效应如何协同作用，重塑超导性的基本极限。

引用: Zhao, L., Zhao, Y., Qi, ZB. et al. Granular Ta-Te nanowire superconductivity exceeding the Pauli limit. Commun Phys 9, 82 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02519-5

关键词: 超导纳米线, 强磁场, 自旋轨道耦合, 压致超导, 碲化钽