强磁场不再是超导死敌，中国团队首次让镍基超导“死而复生”
物理学有一条规律：磁场是超导的死敌，强磁场会破坏超导态。
然而，近期的一项研究打破了这种固有规律。来自香港城市大学李丹枫副教授团队与南方科技大学薛其坤院士-陈卓昱副教授等团队合作，发现了一种反常的现象：磁场先抑制低场超导，再诱导出第二个高场超导相。
研究人员在掺杂稀土元素铕（Eu）的无限层镍氧化物超导体中， 发现了“重入超导”（re-entrant superconductivity）现象，即强磁场不仅未破坏超导，反而让消失的超导电性“死而复生”。
李丹枫对 DeepTech 表示：“我们首次在镍基高温超导体系中发现重入超导现象，无论对材料的认知、温度拓展，还是将维度拓展到新场景，都具有重要的意义。”
图丨李丹枫（来源：受访者） 这一发现不仅揭示了高温超导材料中稀土磁性与超导之间的复杂相互作用，该材料在高掺杂下无法为现有机制所简单解释的现象，更提供了全新平台： 高温超导体系中可能实现自旋三重态等有趣的物理机制，以及铁磁序与超导之间可能的竞争或相互关联影响，有望带来全新物理图像或机制。
相关论文以《铕掺杂无限层镍氧化物中的磁场诱导重入超导》（Field re-entrant superconductivity in Eu-doped infinite-layer nickelates）为题发表在 Nature [1]。
香港城市大学博士后杨明卫、汤家音、南方科技大学博士生吴显峰是论文共同第一作者，香港城市大学李丹枫副教授、南方科技大学陈卓昱副教授和粤港澳大湾区量子科学中心汪恒副研究员担任共同通讯作者。
图丨相关论文（来源： Nature ） 磁场曾是超导的“死对头”
尽管此前重入超导现象在重费米子等体系中出现过，但该体系的转变温度较低，接近绝对零度。在超导转变温度超过 30K 的高温体系中，重入超导始终是个新颖的“未解之谜”。
此前，铜基高温超导体中未观察到磁场增强超导的迹象；尽管铁基超导体存在多带竞争导致的复杂临界场行为，但并不具备真正的再入特征。高温超导和磁场诱导再入超导，看上去似乎并无交集。
2019 年，美国斯坦福大学 Harold Hwang 教授课题组首次发现了无限层镍氧化物超导体 [2]。值得关注的是，镍氧化物超导体临界温度为 15K，电子结构与铜基高温超导体相似，却具有许多不同的特性。这一发现开辟了全新的研究领域，镍氧化物超导材料成为高温超导体的新家族。
彼时，李丹枫是该课题组博士后，也是相关论文第一作者兼共同通讯作者， 他同时是 2022 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区入选者之一。
（来源： Nature ） 本次 Nature 的研究首次在较高转变温度（32K）的氧化物超导体中，实现了与重费米子体系中的奇异量子态类似的现象。
“我们在高磁场下发现超导重入，领域开始进一步审视新的磁相互作用与超导之间的联系，以及在高温超导体系中，高磁场下重入的超导态是否与非平庸的自旋三重态有关系。”李丹枫表示。
磁场补偿：内部“交换场”的奇妙抵消
研究团队利用钐（Sm）位点的掺杂工程，制备了无限层镍氧化物超导体（ Sm₀.₉₅ -xCa₀.₀₅EuₓNiO₂ ）薄膜。通过精细调控铕（Eu）的掺杂浓度，研究人员在过掺杂区域捕捉到了反常行为：随着磁场的增强，该材料表现出从超导到正常态再重新进入超导的转变。
在磁场超过一定值时， 可以系统性观察到电阻归零和迈斯纳抗磁效应——原本消失的超导态卷土重来，并在很大的磁场区间内稳定存在。 在一些样品中，该高场超导相在最高 45T 的稳态磁场下仍可保持。
李丹枫进一步说道：“在铕含量较高的情况下，磁场通常能相对容易地抑制超导，导致在相对不是特别高的磁场下，我们又重新看到了超导再进入现象。这一发现非常令人振奋，因为这确实反直觉。”
（来源： Nature ） 为深入研究“第二个超导态”，在磁场下能够被抑制的程度，以及随着磁场增加这种高场下的超导态会表现出哪些有趣的性质，研究团队与中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心和华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心建立了合作。稳态强磁场装置和脉冲强磁场装置为研究提供了有力支撑，也体现了国家科研基础设施实力。
传统的重入超导现象需要苛刻的磁场角度配合，往往仅限于在极窄的范围内（约 2°-10°）出现。然而，研究团队发现，镍基体系的重入超导的独特性在于，它具有全角度鲁棒性：在 0°-90°的完整范围内皆可稳定存在。
在数据拟合阶段，研究人员对不同掺杂浓度的超导重入行为进行分析，发现在相对中等掺杂浓度时，磁场抵消机制（Jaccarino-Peter 机制）可用简单的方法解释：尽管外磁场在增加，但由于铕元素的存在，通过降低电子所感受到的有效磁场实现了超导重入。
品温度依 赖性与现象拟合参数（来源： Nature ）
但随着掺杂浓度的上升，高磁场下的超导态反而比低场态更稳健。此时，已经不能够用简单的模型完全拟合。这意味着，经典的磁场抵消机制难以解释其物理本质，也暗示着磁关联诱导的非常规配对（例如可能的自旋三重态）具有关键作用，为超导物理研究提供了全新的视角。
此外，研究团队在磁场和低温条件下对电阻进行测量，并观察到一系列新奇的物理输运特征。在过掺杂样品中，它不仅表现出线性霍尔效应，还表现出明显的非线性特征，并在强场下趋于饱和；与此同时，磁电阻曲线呈现出明显的磁滞回线，这种温度依赖关系暗示系统或许存在时间反演对称性破缺。
这些现象表明， 铕的局域磁矩可能基于增强的自旋-轨道耦合诱导出复杂的磁性关联，并与传导电子发生非常规的相互作用，从而对超导配对的稳定性造成影响。
李丹枫表示：“我们从测量样品的过程中观察到它们运输特性，但仅仅通过电阻测量，很难断定其中存在铁磁性。这也留下了一个有趣的开放性问题，在高掺杂区域下，未来可借助更有效、更相关的手段来研究它的铁磁性或磁有序等。”
强 场下稳定 超导：通向高磁场应用的新可能
目前，高温超导材料（或更广泛的超导材料）的应用多数集中在稳态磁场上。基于超导的无损耗特性，通电流能产生稳态磁场。但磁场通常对超导具有抑制作用，因此在实际应用中，如何开发出除了临界温度高以外，还能够承受较高磁场的超导体是一个重要课题。
用超导材料产生大的高稳态磁场，是超导最重要的应用方向之一。那些能在高场下天然处于非常稳定超导态的材料自然是合理的选择。它们不像传统超导体随着磁场增加而急剧被抑制，后者恰恰会限制其在稳态磁场方面的应用。
现阶段，镍基超导材料仍存在相关应用限制：块体材料需高压才能实现超导，薄膜材料又受制于形式本身。从物理机制上来看，厘清高场下的超导态特性及物理本质，有助于理解和开发在高场下能够应用的新型高温超导材料。
在该研究中，重入超导启动场所需的强度与医用磁共振成像（MRI）强度相近。MRI 常用的铌基材料虽能在几特斯拉下保持超导特性，但铜基、镍基等高温超导材料的临界磁场可达几十甚至上百特斯拉。
“未来若 MRI 采用高温超导材料，可产生更大磁场，显著提升成像质量与精度。 目前，以铜基为主的高温超导带材已有原型机应用于核磁设备，但商用尚处于早期阶段。”李丹枫表示。
尽管该材料目前以基础研究为主，暂未达到实用化条件，但超导的应用始终离不开磁场以及磁相互作用的联系。在磁场，尤其是高磁场下发现的反常规超导现象，有可能对超导产生稳态高磁场应用的主要场景带来重要的影响。这不仅可能带来新的认知，也涉及到未来对新材料体系的设计。
在未来的研究阶段中，研究团队计划在两方面对物理机制展开研究：一方面，深入探索材料，比如改变一些非磁性元素的掺杂浓度，来验证基本物理图像。另一方面，希望借助更多先进、直接探测的实验手段，在过掺杂区域进一步厘清磁场和超导之间的关系。
此外，他们还将继续探索，在过掺杂区域超导受到抑制以外，是否有新的序参量或新的相产生，以及在电阻和磁阻方面的物理特性。
总体来说， 这项研究为理解强关联电子超导体系中的磁电相互作用提供了一种新的视角。 铕掺杂镍氧化物作为一个独特的材料平台，能够在强关联氧化物中探索磁场与超导共存的微观机制，也为高温超导机理研究开辟了新的实验方向。
参考资料：
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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