这一进展有助于推动超导技术在电子设备、能源系统和量子器件中的实际应用。
现代数字设备、数据中心以及信息通信技术（ICT）网络估计占全球电力消耗的6%至12%。随着能源需求持续上升，研究人员正在寻找大幅提高电子设备效率的方法。
超导体因其能够无损耗地传输电流而备受关注。与以热能形式损耗能量的传统电子系统不同，超导体可以无电阻地传输电力。理论上，这可以使电网、电子设备和量子技术的效率提高数百倍。
超导体为何难以应用
尽管潜力巨大，但超导体面临着若干阻碍其实际应用的障碍。
其中一个挑战是温度。许多超导体仅在极低的温度下工作，通常在零下200摄氏度左右。要达到并维持这样的温度，需要复杂且高能耗的冷却系统。
磁场构成了另一个主要难题。强磁场会削弱甚至破坏超导性。这一点尤为关键，因为许多先进的电子系统和量子技术都会产生或依赖于磁场。
为了实现广泛应用，超导材料必须能够在更高的温度下（理想情况下接近室温）工作，并在强磁场环境中保持稳定。
增强超导性的另辟蹊径
研究人员多年来一直试图通过改变化学成分来改良超导体，但进展有限。查尔姆斯团队决定采取一种不同的方法。
查尔姆斯理工大学量子器件物理学教授、发表在《自然-通讯》上的一项研究的主要作者Floriana Lombardi解释道：“通过对超导体所在的表面进行微雕，我们得以在显著更高的温度下实现超导。我们还发现，即使暴露在强磁场中，该材料仍保持超导状态。”
微小的表面改变如何带来巨大差异
研究人员使用了一种属于铜氧化物家族的材料。众所周知，铜氧化物能在相对较高的温度下表现出超导性，但一旦制造完成，其化学结构便难以改变。
研究中使用的超导层仅有几纳米厚，不到人类头发丝厚度的百万分之一。这种超薄材料必须生长在被称为“衬底”的支撑基底上，衬底在制造过程中起着模板的作用。
突破来自于对衬底本身进行的纳米级改造。
瑞典RISE研究所的研究员Eric Walhberg解释道：“由于衬底中的原子以特定模式排列，它们可以‘引导’超导层中原子的排列方式。通过改变衬底的表面设计，我们能够影响超导特性，并确保这些特性在更高温度和强磁场环境下得以保持。”
在添加超导薄膜之前，团队在真空高温环境下对衬底进行了处理。这一工艺在表面形成了由微小脊和谷组成的有序图案。
这些微观特征改变了衬底与超导层交界处的电子环境，创造了有利于增强超导性的条件。
Lombardi表示：“我们可以观察到电子特性在这一界面区域开始表现出择优取向，其行为方式稳定并增强了超导态。”
未来超导体的新设计原则
这些发现引入了一种思考超导材料的新思路。研究人员不必仅专注于发现新材料或改变其化学性质，还可以通过精心设计材料生长的表面来提升性能。
Lombardi说道：“我们不再寻找全新的材料或调控现有材料的化学性质，而是展示了如何通过对衬底进行微雕来增强超导性。”
研究人员相信，这一策略最终有望帮助超导体在更高的温度下工作，甚至可能接近室温。
这项工作也为未来在高效节能电子设备、先进量子组件以及必须在强磁场环境下运行的技术中的应用指明了方向。
Lombardi表示：“这表明纳米尺度的微小改变能产生决定性的影响，甚至可能释放超导性在未来电子设备中的全部潜力。”
研究详情
这项题为“通过纳米刻面衬底增强超薄YBa2Cu3O7−δ薄膜的超导性”的研究发表在《自然-通讯》期刊上。
作者包括Eric Wahlberg、Riccardo Arpaia、Debmalya Chakraborty、Alexei Kalaboukhov、David Vignolles、Cyril Proust、Annica M. Black-Schaffer、Thilo Bauch、Götz Seibold和Floriana Lombardi。
参与该项目的研究人员来自查尔姆斯理工大学、瑞典RISE研究所、意大利威尼斯大学、印度伯拉理工学院皮拉尼校区及K. K. Birla果阿校区、印度科学教育与研究所（IISER）、瑞典乌普萨拉大学、法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学、图卢兹大学及图卢兹国立应用科学学院（INSA-T）、以及德国勃兰登堡科特布斯-森夫滕堡工业大学物理研究所。
部分研究是在Myfab查尔姆斯微纳加工中心这一洁净室设施中完成的。
该研究由瑞典研究理事会（VR）、克努特与爱丽丝·瓦伦堡基金会、欧盟（通过EIC Pathfinder拨款）以及德国科学基金会提供资助。