在科幻电影《流浪地球》中，人类为逃离濒临毁灭的太阳，研发了强大的行星发动机，将地球推进至新家园。这样强劲的推进装置必然需要极高效的能源传输技术支撑——尽管电影未具体说明其中的技术细节，但在现实中，超导体的研究有望让人类接近这种可能。
超导材料以零电阻和完全抗磁性两大特性闻名，在大电流输电、强磁场应用等领域展现出巨大潜力。是未来高效能源传输和推进系统的关键技术之一。百余年来，科学家们持续探索超导现象，不断发现新的超导材料，并尝试揭示其内在机制。
近日，上海纽约大学物理学副教授陈航晖团队在国际期刊《自然-通讯》(Nature Communications) 发表研究论文，题为 “Sensitive dependence of pairing symmetry on Ni-eg crystal field splitting in the nickelate superconductor La₃Ni₂O₇”（镍基超导体 La₃Ni₂O₇ 的超导对称性对 Ni-eg 晶体场劈裂的敏感依赖性）。研究团队聚焦近年来新发现的镍基超导材料 La₃Ni₂O₇，发现其超导对称性对材料的电子结构的微小变化极为敏感。他们通过计算指出，晶体场的细微变化可显著影响 La₃Ni₂O₇ 的超导配对对称性，为进一步理解镍基超导体提供了新的信息，推动了多轨道超导体研究的深入发展。
零电阻与完全抗磁性：超导的两大核心特性
1911年，科学家在实验中发现，将汞冷却至 -269°C 时，其电阻突然消失，电子得以无损耗地自由流动——这一现象被命名为 “超导”。此后，许多金属和合金被发现也能在极低温度下进入超导态。
除了零电阻，超导体还具备完全抗磁性。当超导体置于磁场中时，它会完全排斥磁通线，使磁场无法穿透。换言之，将超导体放在磁铁上方，抗磁性会使它悬浮半空
得益于这些独特的物理特性，超导体在诸多高科技领域展现出广泛应用前景，例如核磁共振成像（MRI）仪、磁悬浮列车、大规模电力输送、超导量子计算、核聚变等。
低温 vs 高温：超导体的温度挑战
尽管超导技术潜力巨大，但其大规模应用仍面临一项重大挑战：大多数已知超导体只能在极低温度下工作。早期发现的超导材料通常需要在液氦（-269°C）中冷却，而液氦价格高昂，极大增加了研究与应用成本。
为此，科学家们的一个核心目标是不断提高超导体的临界温度（即进入超导态的温度）。1986年，科学家发现铜氧化物在“相对温暖”且价格低廉的液氮中（-196℃）便能超导，掀起了高温超导的研究热潮。2023年，中山大学团队发现镍氧化物材料La₃Ni₂O₇可在-193℃进入超导态，为高温超导家族“再添新星”。
当然，科学界的追求不止于此，其终极目标是“室温超导”——如果超导现象能在常温下实现，不仅能彻底颠覆现有能源传输方式，还可能揭示新的物理机制，对基础物理研究产生深远影响。
超导对称性：电子的“牵手舞蹈”
超导现象的本质在于电子的特殊配对方式。在普通金属中，电子是各自独立运动的，由于相互排斥和散射，流动时碰撞产生电阻。而在超导体中，电子会两两结对，形成“库珀对”，并像“舞伴”般手牵手同步运动，避免碰撞，实现无阻力流动。
但形成库珀对只是超导的第一步。要实现超导态，电子配对还必须遵循相干性，即成对的电子需要按照特定的对称性排列，类似跳舞时遵循特定的队形。以往的研究发现，超导对称性通常有两种主要形式：
- s波对称性：电子对像吹胀的圆球，朝所有方向均匀伸展，常见于传统超导体，如铅、铝。
- d波对称性：电子对像四叶草，优先沿特定方向排列，主要出现在铜基高温超导体中。
配对对称性不仅影响超导体的稳定性，还决定其临界温度及其他核心特性。一般来说，s波超导更稳定，d波则对杂质敏感，但能在更高温度下工作。因此，解析超导配对对称性往往是研究超导机理的第一步。
自2023年发现了La₃Ni₂O₇ 材料的超导态以来，科学家围绕其超导对称性展开了大量研究。作为镍氧化物超导体，该材料的电子结构与铜氧化物存在显著差异：铜氧化物的超导电子活跃区域，即费米面，通常为单层，而 La₃Ni₂O₇ 的费米面则具有三层结构。材料结构上的差异意味着La₃Ni₂O₇可能具备独特的超导对称性，但过往的理论计算得出了矛盾结论：有的团队支持s波对称，而有的团队则支持d波对称。陈航晖教授团队本次研究便围绕这一争议展开。
陈航晖教授的研究兴趣为复杂材料的第一性原理计算和设计、强关联材料的基态与激发态的计算，以及新的材料理论研究方法。其团队近年来在超导机制理论研究工作上积累了翔实的经验，多次于国际期刊发表研究成果，例如2023年于《自然-通讯》上发表关于“镍氧化物超导体中电荷序现象成因”的研究、2025年与合作者发表于《科学进展》（Science Advances）关于“无限层镍基超导体的电子能带结构”的研究等。
La₃Ni₂O₇ ：变换的对称性
本次研究中，陈航晖团队结合了第一性原理计算和线性化能隙方程计算方法来分析La₃Ni₂O₇的超导对称性。团队首先对 La₃Ni₂O₇ 开展第一性原理计算，从最基本的物理定律出发，计算材料的电子结构。随后，在第一性原理计算的结果上开展线性化能隙方程计算，用数学方法计算超导电子的配对模式，确定超导对称性。
研究发现， 在 La₃Ni₂O₇ 材料中，电子对的对称方式可在d波和s波两种方式间变换，而这种配对方式的变化来源于费米面上的极其细微的局部变化。以往在研究超导材料时，科学家们通常关注费米面的整体形状对超导机制的影响。然而，本研究表明，即使费米面的形状基本保持不变，它的局部电子特性仍然会影响超导对称性。
本次研究充分说明了非常规超导的超导性质对电子结构的敏感依赖性。但从另一角度看，这种敏感依赖性也隐含着实验上可能对超导对称性的调控。
陈航晖教授表示，一个非常规的超导材料，需要考虑两个因素：化学和关联。而这两者又是“互斥”的。“如果化学太复杂，那计算关联的方法必须简化。如果关联效应要计算得更精确，那对化学的描述就需要简化。如果非常规超导的计算能够跟实验产生直接的联系，那描述‘化学’和‘关联’的方法之间必须要达到某种平衡。这也是我们这份工作中尽量想实现的。”
陈航晖教授为本文的通讯作者，上纽大博士后研究员夏程亮、23届本科生刘泓泉（现就读于布朗大学）为本文的共同第一作者，26届本科生周圣杰也参与了本工作。本工作受到了国家自然科学基金和上海市科学技术委员会的资助。