2025年高中物理知識競賽高溫超導與拓撲物態(tài)測試（一）一、高溫超導材料體系的突破性進展2025年2月，南方科技大學薛其坤院士團隊在《自然》發(fā)表的鎳基超導研究成果，標志著高溫超導領(lǐng)域迎來第三次體系性突破。該團隊通過自主研發(fā)的"強氧化原子逐層外延"技術(shù)，在原子級平滑的基片上構(gòu)建出厚度僅幾納米的鎳氧化物薄膜，實現(xiàn)了常壓下40開爾文（-233℃）的超導轉(zhuǎn)變溫度，這一溫度突破了傳統(tǒng)超導體的"麥克米蘭極限"，使鎳基材料成為繼銅基（1986年）、鐵基（2008年）之后第三類常壓高溫超導體系。（一）超導現(xiàn)象的核心特征驗證實驗中觀測到的"零電阻"現(xiàn)象表現(xiàn)為：當溫度從40K降至38K時，材料電阻從0.1Ω突然跌落至10??Ω以下，符合超導相變的典型特征。同時，通過磁懸浮實驗驗證了邁斯納效應——將釹鐵硼永磁體靠近冷卻至35K的樣品時，磁鐵出現(xiàn)穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，其懸浮高度達2.3毫米，對應約1200高斯的臨界磁場強度。這種完全抗磁性行為與零電阻現(xiàn)象共同證實了超導態(tài)的形成。（二）鎳基超導的獨特晶體結(jié)構(gòu)該鎳氧化物材料具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，化學式可表示為La?.?Sr?.?NiO?。X射線衍射圖譜顯示其c軸晶格常數(shù)為12.6?，比傳統(tǒng)鎳酸鹽減小8%，這源于強氧化條件下形成的Ni??高價態(tài)。掃描隧道顯微鏡（STM）圖像揭示了表面原子排列的周期性調(diào)制，形成2×2超晶格結(jié)構(gòu)，這種電荷密度波序與超導態(tài)的競爭關(guān)系成為后續(xù)機理研究的關(guān)鍵方向。（三）制備技術(shù)的革命性突破"強氧化原子逐層外延"技術(shù)通過臭氧等離子體輔助沉積，將氧化能力提升至傳統(tǒng)方法的10?倍。在分子束外延系統(tǒng)中，鑭、鍶、鎳原子按1.8:0.2:1的比例交替沉積，氧分壓精確控制在5×10??mbar，生長速率保持0.1nm/min。這種類似"納米級搭積木"的制備方式，使材料的原子級平整度達到RMS值0.3nm（10×10μm2掃描范圍），為研究界面超導機制提供了理想平臺。二、拓撲物態(tài)的前沿探索與應用2025年拓撲物態(tài)研究呈現(xiàn)多維突破，從靜態(tài)空間拓撲到動態(tài)時間維度的拓展，從基礎理論到器件應用的跨越，展現(xiàn)出量子材料領(lǐng)域的蓬勃生命力。其中山西大學在KV3Sb5材料中發(fā)現(xiàn)的手性量子態(tài)、清華大學實現(xiàn)的有限溫度拓撲邊緣態(tài)，以及微軟Majorana1芯片的商業(yè)化嘗試，共同構(gòu)建了拓撲量子技術(shù)的全新圖景。（一）手性量子態(tài)的實驗觀測在層狀六方結(jié)構(gòu)的KV3Sb5晶體中，通過極低溫STM觀測到一種具有手性特征的電荷密度波序。當施加面內(nèi)磁場時，電子態(tài)密度譜出現(xiàn)±2π/3的相位調(diào)制，形成螺旋狀的電荷分布。這種手性破缺現(xiàn)象源于晶格旋轉(zhuǎn)對稱性與電子關(guān)聯(lián)效應的耦合，其臨界溫度達78K，遠高于傳統(tǒng)拓撲超導體，為量子計算提供了新的自由度調(diào)控方案。（二）時間維度拓撲態(tài)的構(gòu)建清華大學鄧東靈團隊在125比特"天目2號"超導量子芯片上，通過周期性激光脈沖驅(qū)動構(gòu)建了弗洛凱拓撲角態(tài)。實驗中采用頻率5GHz、脈寬20ns的微波場，使一維量子鏈產(chǎn)生時間周期性勢場，在系統(tǒng)邊界激發(fā)出穩(wěn)定存在的零能模。這種時間維度的拓撲保護機制，將量子態(tài)的熱穩(wěn)定性從絕對零度提升至100mK，為量子存儲開辟了新路徑。（三）拓撲量子比特的抗干擾特性微軟Majorana1芯片集成的8個拓撲量子比特，利用馬約拉納零模作為量子信息載體，其相干時間達到320μs，是傳統(tǒng)超導量子比特的10倍。在量子門操作中，單比特門保真度達99.92%，雙比特門保真度99.4%，主要得益于拓撲保護帶來的內(nèi)在抗噪聲能力。當環(huán)境溫度波動±5mK時，量子態(tài)存活率仍保持85%以上，顯著優(yōu)于超導電荷量子比特。三、高溫超導與拓撲物態(tài)的交叉研究（一）拓撲超導的實驗證據(jù)中科院物理所在鐵基超導材料FeSe???Te?中，通過STM觀測到表面態(tài)的安德烈夫反射現(xiàn)象。當針尖電壓設置為-10mV時，在拓撲表面態(tài)區(qū)域出現(xiàn)強度為2.3nA的準粒子峰，其空間分布呈現(xiàn)±1的手性特征，這為Majorana費米子的存在提供了間接證據(jù)。進一步的磁場依賴實驗顯示，該零能模在±5T磁場下仍保持穩(wěn)定，符合非阿貝爾任意子的拓撲特性。（二）量子反?；魻栃臏囟韧黄票本┐髮W團隊在Cr摻雜(Bi,Sb)?Te?薄膜中實現(xiàn)了1.5K溫度下的量子反?；魻栃??；魻栯娮柙?4T磁場下達到25812Ω的量子化平臺，對應填充因子ν=1。通過柵壓調(diào)控費米能級，可使該效應的工作溫度提升至3K，這一進展為低能耗電子器件奠定基礎。與高溫超導體結(jié)合，有望構(gòu)建出同時具有零電阻和量子化霍爾電阻的新型器件。（三）光子拓撲絕緣體的應用在光子晶體領(lǐng)域，南京大學制備的二維拓撲光子晶體具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)620nm，工作波長1550nm通信波段。實驗測量顯示其邊界態(tài)傳播損耗僅0.2dB/cm，且在90°彎折處的透射率保持98%，這種抗缺陷特性源于拓撲保護的單向傳輸機制?；谠摬牧系墓饬孔有酒褜崿F(xiàn)10路量子態(tài)的無串擾傳輸，為量子通信提供了穩(wěn)定的硬件平臺。四、綜合應用題（一）高溫超導磁體設計某實驗室計劃利用鎳基超導材料繞制螺線管磁體，已知材料的臨界電流密度Jc=2×10?A/cm2，臨界磁場Bc=1.2T。若磁體平均直徑5cm，長度20cm，需設計單層密繞線圈：計算導線的最大允許電流（導線直徑0.5mm）；確定產(chǎn)生1T磁場所需的匝數(shù)；估算磁體的總電感量。（二）拓撲材料輸運特性分析在KV3Sb5手性拓撲半金屬的輸運實驗中，觀測到以下現(xiàn)象：縱向電阻隨溫度降低出現(xiàn)lnT依賴關(guān)系；霍爾電阻呈現(xiàn)非飽和線性增長；施加面內(nèi)磁場時出現(xiàn)負磁阻效應。請結(jié)合拓撲表面態(tài)理論解釋上述現(xiàn)象，并說明手性anomaly對輸運性質(zhì)的影響。（三）量子比特穩(wěn)定性比較對比傳統(tǒng)超導電荷量子比特與拓撲馬約拉納量子比特：分析兩種量子比特的退相干機制差異；計算在相同環(huán)境噪聲下（1/f噪聲強度S?=10??μV2/Hz）的相干時間比值；提出一種基于拓撲保護的量子糾錯方案。五、實驗設計與數(shù)據(jù)分析（一）高溫超導轉(zhuǎn)變溫度測量設計一套基于四引線法的超導轉(zhuǎn)變溫度測量系統(tǒng)，要求：溫度范圍4.2-300K，控溫精度±10mK；電阻測量分辨率10??Ω；繪制YBCO樣品的R-T曲線，并計算其超導轉(zhuǎn)變寬度（從90%R_n到10%R_n的溫度間隔）。（二）拓撲邊緣態(tài)STM表征利用掃描隧道顯微鏡研究Bi?Se?拓撲絕緣體表面態(tài)：解釋為何在費米能級附近出現(xiàn)線性色散關(guān)系；當針尖施加+2V偏壓時，如何區(qū)分體態(tài)和表面態(tài)信號；分析磁場誘導下表面態(tài)朗道能級的量子化特征。（三）超導量子干涉器件的應用基于DC-SQUID設計一臺磁梯度儀：說明約瑟夫森效應在SQUID中的作用機制；若臨界電流Ic=10μA，計算磁通量靈敏度；設計實驗方案，利用該儀器探測高溫超導體的磁通渦旋運動。六、前沿展望與挑戰(zhàn)高溫超導與拓撲物態(tài)作為凝聚態(tài)物理的兩大前沿領(lǐng)域，在2025年展現(xiàn)出加速融合的趨勢。鎳基超導的發(fā)現(xiàn)為高溫超導機理研究提供了新的模型體系，其層狀結(jié)構(gòu)與電子關(guān)聯(lián)效應的相互作用，可能揭示高溫超導的普適規(guī)律。拓撲量子計算在材料制備和器件集成方面的突破，使實用化量子計算機的研發(fā)邁出關(guān)鍵一步。未來五年，預計在以下方向?qū)⒊霈F(xiàn)重要進展：鎳基超導的元素替代研究可能將轉(zhuǎn)變溫度提升至77K液氮溫區(qū)；手性拓