研究人员发现了压力如何解锁复杂量子材料中隐藏的超导特性。

对一种特殊量子材料施加高压可改变其导电方式，使超导性在三维结构中扩展，转变温度约为通常情况的三倍。研究人员还发现，参与超导的电子数增至七倍。

该发现来自瑞士保罗谢勒研究所（PSI）Zurab Guguchia领导的团队。相关结果发表于Nature Communications，为理解如何增强超导性并最终在更实用条件下实现超导提供了新线索。

兼具对立性质的量子材料

二硫化钽化学成分简单，电子结构却非常复杂。它由极薄的原子层构成，这些原子层在温度下降时表现出不同行为。

Guguchia表示，其化学式看似非常简单：每个钽原子对应两个硫原子，但材料内部极其复杂，性质近乎矛盾。

以特定方式制备时，材料包含两种原子排列不同的交替层。两层在较高温度下都能导电，但冷却后一层变为绝缘体，另一层变为超导体，可在零电阻下承载电流。Guguchia解释说，这意味着两层的电子性质表现完全相反。

整个晶体进入超导态

最初，超导性仅局限于单个导电层，因为绝缘层阻碍电子在层间移动。将材料冷却至略高于1开尔文（约−458°F）时，情况发生显著变化。

Guguchia表示，整个材料突然变为超导，绝缘层也变为导电并参与超导。超导性不再局限于分离的平面，而是在三维范围内扩展到整个晶体。

科学家已知施加压力可提高该转变发生的温度，但其机制并不清楚。PSI团队研究了压缩如何影响材料电子及层间相互作用。

压力增强超导性的机制

研究人员将二硫化钽置于比典型汽车轮胎内压高数百倍的压力下。压缩使超导层彼此靠近，降低绝缘层的破坏作用，同时使绝缘层中原本局域化的电子参与超导。

由于这些效应，高压使二硫化钽在约三倍高的温度下于三个维度均进入超导态。测量还显示，参与超导的电子数增至七倍。

该研究人员解释，压力不仅提高超导可发生的温度，也改变超导态本身的性质。它改变电子配对及在材料中共同运动的方式，形成更稳健的超导形式。

利用μ子研究电子行为

为研究这些变化，团队使用μ子自旋谱学，该技术可探测材料内部磁环境。μ子是与电子相似的基本粒子，质量约为电子的200倍。其寿命仅几百万分之一秒，但对局部磁场敏感，因此特别适合研究超导体。

Guguchia表示，μ子对磁性和超导性质异常敏感，使研究人员能在PSI获得对量子材料的独特认识。

PSI运行着全球最强的μ子源瑞士μ子源SμS。通过将μ子测量与其他技术结合，研究人员考察了极低温度下压力如何改变电子行为。

面向更高温度工作的超导体

超导体可在无电阻情况下传输电流，消除导通损耗及相关废热。但多数超导材料需要极端冷却，限制其应用。目前它们用于专用系统，包括CERN大型强子对撞机的强磁体。

Guguchia表示，全球正在研究新型非常规超导体，希望在更高温度或强外磁场下仍表现出稳健超导性。

二硫化钽仍需极低温度，但结果表明压力可改变电子配对并增强超导性。这些认识有助于研究人员开发更接近室温、在常压下工作的材料。

Guguchia表示，通过研究重要量子材料，团队希望揭示超导性的基本机制，从而找到优化超导发生温度的方法。

更强实验能力

PSI未来实验可提供更精细测量。通过计划中的IMPACT项目（Isotope and Muon Production using Advanced Cyclotron and Target technologies），该研究所预计开发比现有μ子束强数百倍的束流。结合Muoniverse研究计划，此次升级将拓展研究超导量子材料的机会。

Guguchia总结说，团队已期待这两项进展带来的新视角，尤其对超导量子材料研究而言，这将开启此前难以设想的实验可能性。

参考文献：V. Sazgari, J. N. Graham, S. S. Islam, A. Achari, P. Král, O. Gerguri, J. N. Tangermann, J. A. Krieger, H. Gopakumar, G. Simutis, M. Janoschek, M. Bartkowiak, J.-X. Yin, R. Khasanov, H. Luetkens, F. O. von Rohr, R. R. Nair and Z. Guguchia，Competing quantum orders in 6R-TaS2 revealed by pressure，Nature Communications，2026年4月30日，DOI: 10.1038/s41467-026-72136-x。