超导现象自1911年被发现以来，一直是学界的研究重点和技术创新的前沿。具有超导性质的材料，已在如磁悬浮列车、磁共振成像（MRI）等众多领域得到广泛应用。
近日，上海纽约大学物理学助理教授陈航晖担任第一作者和共同通讯作者，于《自然-通讯》（Nature Communications）期刊发表了一项新研究，解析了镍氧化物超导体中电荷序现象的成因。电荷序与超导性质密切相关，是超导材料中备受关注的现象之一。
磁悬浮列车（左）和磁共振成像仪（右）均涉及超导材料的应用
超导材料的电阻为零，电流可以在其中无阻力地流动，因此不会产生能量损失。1986年，科学家发现了首个高温超导体——铜氧化物，是一类陶瓷材料。此后三十多年来，科学家们一直在探索铜基超导的形成机制，并不断尝试合成与铜氧化物具备相似超导性质的材料。直至2019年，镍基超导的出现，为该领域的研究带来了又一突破。
镍氧化物和铜氧化物属于同一类化合物，具备相似的电子和晶体结构，因此科学家在各方面对二者进行了广泛比较。除超导性质外，电荷序也是此类超导材料的一大重要特性。电荷序现象是指在同一种类型的原子上，其电荷具有不同的大小，且以特定方式排列的情况。早在1995年，科学家们就在铜基超导材料中观测到了电荷序现象。2022年，三个独立的实验组也在镍基超导材料中发现了电荷序的存在。
基于此发现，陈航晖教授与其合作者展开研究，探析镍基超导中电荷序的成因，以及其与铜基超导电荷序之间的异同。通过采用凝聚态物理和材料物理研究中常用的密度泛函理论和动力学平均场理论，研究团队展开计算，发现镍基超导中电荷序的成因源自一种特殊的电荷转移机制，与铜基超导中的电荷序机制不同。通过进一步深入建模，团队发现，镍基超导中的电荷转移机制与其导带相关，而铜基超导中的导带未展现相同功能。
陈航晖教授表示，围绕镍氧化物中的电荷序和超导机制，还有许多谜题待解答。“本次研究中我们得出，镍氧化物与铜氧化物中电荷序的成因不同，这是否预示着两个材料的超导形成机制也是不同的？答案尚未明确。这也将我们未来的研究重点。”
陈航晖教授与中国科学院物理研究所杨义峰教授、清华大学物理系张广铭教授为本篇论文的通讯作者。上纽大2023届本科毕业生刘泓泉参与了本项研究。