2026年7月7日——在高压下，一种量子材料能够在比常压条件下显著更高的温度下转变为超导态。保罗·谢尔研究所的研究人员利用μ子对此进行了研究。他们的研究为理解非常规超导电性的出现提供了新见解，这有助于寻找在适合实际应用的温度下工作的超导体——这是开发节能技术的重要前提。

量子材料二硫化钽具有矛盾的特性：它由多层结构组成，其中一层在冷却后变为超导态，而另一层则表现为绝缘体。在压力作用下，这种相互作用会发生变化——该材料在温度高出约三倍时转变为超导态。

超导体长期以来一直被认为是未来能源系统的一项有前景的技术。它们能够无电阻地导电，从而消除传导损耗和废热。然而，到目前为止，超导体仅应用于特殊场景，例如欧洲核子研究中心大型强子对撞机等粒子加速器中极其强大的磁体线圈。这是因为超导体必须充分冷却，某些材料甚至需要冷却到极低的温度。未来，具有特殊量子特性的新型材料有望在更易于实现的、不太寒冷的低温下实现超导。由保罗·谢尔研究所的Zurab Guguchia领导的研究团队首次对这种量子材料进行了全面表征。这应有助于详细理解这些过程，并推动对可技术化应用超导体的寻找。该研究成果发表在《自然·通讯》期刊上。

Guguchia表示：“目前，全球范围内正在对新型非常规超导体进行研究，这些超导体即使在更高温度或强外部磁场下也表现出稳健的超导性。”这位物理学家是PSI中子和缪子科学中心的研究小组负责人，他与团队致力于研究未来材料。

具有奇异特性的层状材料

为了进行新实验，Guguchia及其团队选择了一种拥有丰富异常量子特性的材料。二硫化钽属于由极薄层构成的一类材料。虽然它并不表现出高温超导性，但其有趣的特性为实验提供了令人兴奋的机会。Guguchia说：“它的化学式听起来很简单：每个钽原子对应两个硫原子。但其内部是一种非常复杂的材料，具有近乎矛盾的特性。”

如果以正确方式制备二硫化钽，总会形成两种原子排列不同的交替层。这位研究人员解释道：“这意味着这两层的电子特性表现得完全相反。”在高温下，两层都具有金属性，能够传导电子。当冷却时，会发生奇怪的现象：一层变为绝缘体，而另一层变为超导体。此时，二硫化钽仅在超导层的二维平面内传导电流，因为绝缘层不允许电子通过。

但如果将材料冷却到极低温度，仅略高于绝对零度以上一度，就会出现异常情况：“突然间，整个材料变为超导态，绝缘层也变得导电并参与超导，”Guguchia说。如果对材料施加高压，发生这一转变的温度实际上会升高。此前，其确切原因尚不明确，因为对原子层面电子的相互作用理解不足。

μ子提供材料的深层见解

这正是PSI团队实验的切入之处。研究人员拥有先进的实验方法，其中一项重要技术是μ子自旋光谱学。

μ子是基本粒子——与电子相似，但质量约重200倍，寿命仅为几百万分之一秒。植入材料后，μ子能以极高的灵敏度响应其环境的磁性特性。这使得研究人员能够探测材料内部微观尺度上发生的情况。PSI为此类实验提供了特别优越的条件：其拥有瑞士μ子源 SμS，这是全球最强大的μ子源。

Guguchia说：“由于μ子是对磁性和超导特性极为敏感的探针，我们在PSI能够获得对量子材料的独特见解。”

除了μ子测量，该团队还使用了其他方法来研究电子在材料内部的运动方式。这种多种技术的结合使得在理解二硫化钽方面取得了突破。

材料受压时的变化

研究人员开展了一系列实验，对材料施加不同水平的压力，并在极低温度下分析材料内部电子的行为。

这里涉及两个因素。在非常高的压力下——比汽车轮胎内部气压高出数百倍——二硫化钽的晶体层被紧密挤压在一起。这首先导致超导层之间的接触更紧密，从而使分隔的绝缘原子层的干扰效应减弱。其次，绝缘层中的部分电子被释放，随后也能参与超导。Guguchia总结了测量结果：“由于这些效应，高压使二硫化钽在大约高出三倍的温度下，在全部三维空间中都变为超导态。”此外，观察到参与超导的电子数量增加了七倍。

这位研究人员解释说：“因此，压力不仅提高了能发生超导的温度，还改变了超导态的本质。它改变了电子配对并通过材料协同运动的方式，从而产生了一种更稳健的超导形式。”

更接近实际条件下的超导

这些精确结果将为理论物理学家提供宝贵帮助，使他们未来能更好地描述此类量子材料。这将使研究更接近一个长期目标：在高温下——理想情况下是室温——且处于常压下的定制材料。实现这一目标仍面临一些挑战，但研究正在推进。Guguchia说：“通过研究重要的量子材料，我们想要揭示超导背后的基本机制。这将使我们能够找到优化超导发生温度的方法。”

未来，PSI的研究人员将能够更深入地探索超导量子材料的迷人世界。随着在未来几年内IMPACT项目框架下对μ子源的升级，将可以提供强数百倍的μ子束（IMPACT代表：利用先进回旋加速器和靶技术的同位素与缪子生产）。PSI还领导着瑞士国家研究能力中心 Muoniverse。该项目基于PSI的μ子源，汇聚了瑞士顶尖机构的μ子研究。Guguchia总结道：“我们非常期待这两项发展带来的新视角。特别是对于超导量子材料的研究，这将开启难以想象的实验可能性。”