一种巧妙的纳米级重新设计可能解决了超导领域最大的难题之一。瑞典研究人员发现，通过精细雕刻超薄超导材料下方的表面，能够使其在更高的温度和更强的磁场下保持超导状态。
这一进展有助于推动超导技术在电子器件、能源系统和量子设备中的实际应用。
现代数字设备、数据中心以及信息和通信技术（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，研究人员正在寻找能够大幅提高电子器件效率的方法。
超导体因其能无损耗地输送电流而极具吸引力。与以热量形式浪费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、电子器件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，但超导体面临着限制其实际应用的多重障碍。
挑战之一是温度。许多超导体仅在极低的温度下才能工作，通常约为零下200摄氏度。要达到并维持这样的温度，需要复杂且高能耗的冷却系统。
磁场带来了另一大难题。强磁场会削弱甚至破坏超导性。这一点至关重要，因为许多先进的电子系统和量子技术要么会产生磁场，要么依赖于磁场工作。
为了实现广泛的实际应用，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性。
一种增强超导性的不同策略
多年来，研究人员一直试图通过改变化学成分来改进超导体，但进展有限。查尔姆斯大学（Chalmers）团队决定采取一种不同的方法。
“通过对超导体附着的表面进行‘雕刻’，我们能够在显著高于以往的温区实现超导。我们还发现，即使暴露在强磁场中，该材料仍能保持超导态，”查尔姆斯大学量子器件物理学教授、发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的这项研究的主要作者弗洛里亚娜·隆巴迪解释道。
微小的表面改变如何带来巨大的差异
研究人员研究了一种属于铜氧化物家族的铜氧化物材料。铜氧化物因能在相对较高的温度下表现出超导性而闻名，但其化学结构在制成后很难进行修饰。
研究中使用的超导层仅有几纳米厚，不到人类头发直径的百万分之一。这种超薄材料必须生长在一种被称为“衬底”的支撑基底上，衬底在制备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修饰。
“由于衬底中的原子以特定的模式排列，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，”瑞典RISE研究所的研究员埃里克·瓦尔贝里解释道。
在沉积超导薄膜之前，团队在真空高温环境下对衬底进行了处理。这一工艺在衬底表面形成了由微小的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。
“我们可以观察到，在这个界面区域，电子的性质开始呈现出特定的取向，其行为方式稳定并增强了超导态，”隆巴迪说。
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方式。研究人员无需仅专注于发现新材料或改变其化学性质，通过精心设计材料生长的表面，同样可能提升其性能。
“我们现在的成果表明，无需寻找全新的材料或调控现有材料的化学性质，仅通过对衬底进行‘雕刻’就能增强超导性，”隆巴迪说。
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节能电子器件、先进量子组件以及必须在强磁场下运行的技术中的应用指明了方向。
“这表明纳米尺度的微小改变能产生决定性的影响，甚至可能在未来电子技术中释放超导性的全部潜力，”隆巴迪说。
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》杂志上。
论文作者包括埃里克·瓦尔贝里、里卡多·阿尔帕亚、德布马利亚·查克拉博蒂、阿列克谢·卡拉布霍夫、大卫·维尼奥勒、西里尔·普鲁斯特、安妮卡·M·布莱克-谢弗、蒂洛·鲍赫、格茨·赛博尔德和弗洛里亚娜·隆巴迪。
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、印度比拉理工学院皮拉尼校区及K.K.比拉果阿校区、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、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-森夫滕贝格工业大学物理研究所。
部分研究工作是在查尔姆斯Myfab洁净室设施中完成的。
该研究由瑞典研究委员会（VR）、克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会、欧盟（通过EIC Pathfinder资助计划）以及德国科学基金会（DFG）资助。