2025年高中物理競賽高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)測試（四）一、高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展1.1鎳基超導(dǎo)材料體系的重大發(fā)現(xiàn)2025年2月，由薛其坤院士領(lǐng)銜的聯(lián)合研究團(tuán)隊在《自然》發(fā)表里程碑成果，首次在常壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)鎳氧化物材料的高溫超導(dǎo)電性。該團(tuán)隊通過自主研發(fā)的"強(qiáng)氧化原子逐層外延"技術(shù)，在原子級平滑基片上構(gòu)建出厚度僅幾納米的鎳氧化物超薄膜，其超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度突破40K（-233℃），觀測到零電阻與完全抗磁性的雙重特征。這一發(fā)現(xiàn)使鎳基材料成為繼銅基、鐵基之后第三類突破"麥克米蘭極限"的高溫超導(dǎo)體系，其創(chuàng)新之處在于采用"原子鉚釘術(shù)"固定住原本需要極高壓環(huán)境才能穩(wěn)定存在的晶體結(jié)構(gòu)，為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了全新實(shí)驗(yàn)平臺。同年10月，復(fù)旦大學(xué)趙俊教授團(tuán)隊進(jìn)一步拓展鎳基超導(dǎo)研究邊界，在三層鎳氧化物L(fēng)a?Ni?O??單晶中發(fā)現(xiàn)壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性。該團(tuán)隊通過高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)，在特定高氧壓環(huán)境下合成出純相單晶樣品，其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)高達(dá)86%，與銅氧化物高溫超導(dǎo)體相當(dāng)。中子衍射測量顯示，該材料幾乎不存在頂點(diǎn)氧缺陷，在69GPa壓力下臨界溫度達(dá)到30K，其層間耦合機(jī)制與銅氧化物存在顯著差異，為理解高溫超導(dǎo)微觀機(jī)理提供了新視角。1.2高溫超導(dǎo)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化突破高溫超導(dǎo)材料正從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用，2025年全球高溫超導(dǎo)帶材產(chǎn)能突破2000公里，成本較2015年下降84%，達(dá)到80美元/米。中國在第二代高溫超導(dǎo)帶材領(lǐng)域已形成技術(shù)優(yōu)勢，上海超導(dǎo)計劃擴(kuò)產(chǎn)6000公里產(chǎn)能，西部超導(dǎo)已完成國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）相關(guān)項目供貨。在能源領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)使托卡馬克裝置體積大幅縮小，中國環(huán)流三號（HL-2M）已實(shí)現(xiàn)1億度等離子體運(yùn)行，而在建的環(huán)流四號將采用全高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，預(yù)計磁場強(qiáng)度提升至6.5T，裝置體積較傳統(tǒng)設(shè)計縮小40%，建造成本降低50%以上。醫(yī)療應(yīng)用方面，基于高溫超導(dǎo)材料的緊湊型核磁共振成像（MRI）設(shè)備研發(fā)取得突破，通過采用REBCO超導(dǎo)帶材制成的微型磁體系統(tǒng)，設(shè)備體積縮小70%，制冷功耗降低60%。2025年推出的新型移動式MRI原型機(jī)，其磁體孔徑達(dá)500mm，磁場均勻度優(yōu)于10ppm，可滿足基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場診斷需求，將癌癥檢測成本壓縮至傳統(tǒng)設(shè)備的1/20。二、拓?fù)湮飸B(tài)研究的前沿進(jìn)展2.1三維拓?fù)潴w系的理論突破南開大學(xué)栗宇航團(tuán)隊2025年提出高自旋軸子絕緣體理論模型，將傳統(tǒng)軸子絕緣體態(tài)推廣至自旋S=3/2的電子體系。理論計算表明，該體系存在受晶體對稱性保護(hù)的高軸子場，其強(qiáng)度可通過外加磁場連續(xù)調(diào)控，在特定磁場區(qū)間呈現(xiàn)量子化的拓?fù)浯烹婍憫?yīng)。該研究進(jìn)一步預(yù)言三維量子反?；魻栃?yīng)的存在，在具有空間反演對稱性破缺的層狀材料中，多個方向可同時觀測到量子化霍爾電導(dǎo)平臺，其數(shù)值滿足e2/h的整數(shù)倍關(guān)系，且可通過柵壓調(diào)控費(fèi)米面位置實(shí)現(xiàn)平臺間的拓?fù)湎嘧?。拓?fù)浒虢饘傺芯款I(lǐng)域，中國科學(xué)家開發(fā)的Wilsonloop計算方法實(shí)現(xiàn)重大突破，能夠從復(fù)雜的電子波函數(shù)中精準(zhǔn)提取拓?fù)洳蛔兞?。利用該方法，研究團(tuán)隊在TaAs家族化合物中觀測到外爾費(fèi)米子的線性色散關(guān)系，其貝里曲率分布呈現(xiàn)"甜甜圈"狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在磁場下表現(xiàn)出獨(dú)特的手性反常輸運(yùn)特性，霍爾電導(dǎo)出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象，為構(gòu)建低能耗電子器件提供了新材料范式。2.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)調(diào)控與應(yīng)用2025年10月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭晨暉團(tuán)隊在向列相液晶體系中實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋯螛O子介導(dǎo)的半斯格明子動態(tài)轉(zhuǎn)換。該團(tuán)隊通過設(shè)計幾何阻挫界面圖案，在半斯格明子弦中誘導(dǎo)出8種拓?fù)鋯螛O子結(jié)構(gòu)，包括雙曲型、圓形及（反）刺猬構(gòu)型等中間態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用455nm線性偏振藍(lán)光照射可驅(qū)動單極子對之間的相互作用從吸引轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦猓M(jìn)而實(shí)現(xiàn)半斯格明子拓?fù)鋽?shù)從-1/2到+1/2的可控轉(zhuǎn)換。更為重要的是，該團(tuán)隊利用拓?fù)鋯螛O子作為微納操控單元，實(shí)現(xiàn)膠體顆粒沿預(yù)設(shè)軌跡的定向輸運(yùn)，速度在0.35-2.32μm/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且不受流體動力學(xué)擾動影響，這一成果為微流控芯片和納米機(jī)器人領(lǐng)域提供了全新操控范式。在光電子應(yīng)用方面，拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面等離激元研究取得進(jìn)展?；贐i?Se?拓?fù)浣^緣體的紅外探測器，其表面態(tài)電子具有螺旋自旋結(jié)構(gòu)，對中紅外波段光吸收系數(shù)提高3個量級，響應(yīng)速度達(dá)到50ps，且工作溫度可提升至液氮溫區(qū)（77K），解決了傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測器需深低溫制冷的技術(shù)瓶頸。三、高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)的交叉研究3.1拓?fù)涑瑢?dǎo)體的實(shí)驗(yàn)探索高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)的交叉融合產(chǎn)生了拓?fù)涑瑢?dǎo)體這一新興研究方向。2025年，南方科技大學(xué)團(tuán)隊在鐵基超導(dǎo)體FeSe/SrTiO?異質(zhì)界面發(fā)現(xiàn)Majorana零能模證據(jù)，通過掃描隧道顯微鏡觀測到具有粒子-空穴對稱性的零偏壓電導(dǎo)峰，其空間分布呈現(xiàn)出Majorana費(fèi)米子特有的非局域關(guān)聯(lián)。理論計算表明，該界面處的Rashba自旋軌道耦合與超導(dǎo)能隙形成拓?fù)浞瞧接沟腁ndreev束縛態(tài)，為構(gòu)建容錯量子比特提供了潛在平臺。3.2量子計算應(yīng)用的協(xié)同創(chuàng)新高溫超導(dǎo)量子比特與拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制的結(jié)合成為量子計算領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2025年，中科院物理研究所開發(fā)出基于釔鋇銅氧（YBCO）超導(dǎo)薄膜的拓?fù)淞孔痈缮嫜b置（SQUID），其臨界電流波動小于0.5%，單量子比特門操作保真度達(dá)到99.92%。該團(tuán)隊進(jìn)一步將拓?fù)浣^緣體表面態(tài)集成到超導(dǎo)量子電路中，通過調(diào)控Bi?Te?薄膜的拓?fù)浔砻鎽B(tài)與超導(dǎo)電極的近鄰效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對Majorana零能模的電控操縱，為構(gòu)建拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子計算單元邁出關(guān)鍵一步。在量子通信領(lǐng)域，基于拓?fù)涔庾泳w的單光子源研發(fā)取得突破。清華大學(xué)團(tuán)隊設(shè)計的拓?fù)浔Ｗo(hù)納米激光器，利用光子晶體中的谷霍爾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單模激光輸出，其線寬小于1MHz，量子產(chǎn)率超過90%，在1.55μm通信波段實(shí)現(xiàn)室溫穩(wěn)定運(yùn)行，為構(gòu)建抗干擾量子通信網(wǎng)絡(luò)提供了核心器件。四、關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)：在材料制備方面，鎳基超導(dǎo)單晶的氧含量控制精度需提升至0.1%以內(nèi)，拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)純度有待進(jìn)一步提高；在機(jī)理研究層面，高溫超導(dǎo)的電子配對機(jī)制、拓?fù)湮飸B(tài)的非平衡動力學(xué)過程等基礎(chǔ)科學(xué)問題尚未完全解決；工程化應(yīng)用中，超導(dǎo)帶材的力學(xué)性能、拓?fù)淦骷沫h(huán)境穩(wěn)定性仍需改善。未來研究將聚焦于常壓高溫超導(dǎo)材料的探索、拓?fù)淞孔颖忍氐臉?gòu)建、以及高溫超導(dǎo)磁體在可控核聚變中的規(guī)?；瘧?yīng)用，這些方向的