3月，美国罗切斯特大学物理学家迪亚斯宣称，其团队发现了室温条件下的超导新材料，一度引发了全球物理学界甚至金融界的大“震动”。

舆论热潮退去，学界回归理性。学者表示，让子弹再飞一会。毕竟，室温常压超导材料一直被众多物理学家视为“终极目标”，想要实现，需历经一次又一次的验证和鉴别，以及时间的考验。

尽管举步维艰，但过程让众多物理学家着迷，电子科技大学物理学院教授、凝聚态物理研究所所长乔梁就是其中一员。同样在3月，他和团队也在超导新材料研究领域取得了重大突破，为镍基超导领域的发展开辟了崭新的思路。

研究结果在3月初以《氢元素在镍基超导中的关键作用》为题，在《自然》杂志在线发表。

氢元素，被乔梁称为一只“看不见的手”，悄悄改变了制备出的材料的物理性能，是镍基超导电性关键而又隐秘的元素。

此次研究中，乔梁和团队也首次在实验上观察到了奇异电子态，即巡游的间隙位s轨道（IIS）。

谈及发现的过程，乔梁多次形容为“巧合”。但科学的进步，偶然中必定藏着必然。

对乔梁而言，他只是比别人多问了一个为什么，在别人忽视的角落，牵到了那只“看不见的手”。

从镍入手“曲线救国”破解超导难题

1986年初，两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体，为寻找室温常压超导带来了希望：铜氧化物超导体突破了常规超导体温度上限（40K）。

但为何其具有较高的超导临界温度？三十多年来，没有完美解答。

“科学家也一直在思考一个问题，能不能从一个类铜的材料入手，借助于铜基的调控思路实现新的超导材料，借此再反过来研究铜基超导，或许会加深我们对高温超导的理解。”乔梁说，元素周期表中，与铜元素相邻，在结构和性质上与铜有很多相似之处的镍元素，成为了物理学家们心中理想的“突破口”。

2019年8月，美国斯坦福大学教授Hwang的课题组率先在基于无限层结构的镍氧化物外延薄膜中发现了超导电性，乔梁称之具有划时代的意义。

但后续镍基超导的研究仍陷入了一系列的困惑：“为什么无限层镍基材料可以达到超导？”“为什么全世界只有少数几个团队可以做出镍基超导样品”……

“物理规律是客观存在的。当不同科学家的课题组制备的材料样品频繁出现‘性能不能重现’的问题时，第一直觉就是材料内部可能存在着不为人知的‘隐变量’，从而悄悄改变了制备出的材料的物理性能。”在研究成果发布时，乔梁附上了这段话。

正是基于这样的考虑，在当初读到Hwang教授Nature论文时，乔梁抱着试一试的心态，于2019年9月，与学生一起开启了镍基超导的研究之旅。

摸清“黑匣子”里氢的作用

因疫情和学校搬迁，研究被搁置了一年，直到2020年底才重启。

2021年4月，在关键的低温强磁场测试设备到位后，团队在制备的镍基超导外延薄膜中成功地获得了0电阻的超导电性。

7月，乔梁带着团队继续从事超导样品里氢的调控实验。“当时并不知道氢的作用，只是学生碰巧做了。”虽然乔梁回忆起有一点“鬼使神差”，但并不是毫无缘由：在无限层结构镍基氧化外延单晶薄膜的制备过程中，利用了氢化钙进行了还原。

“在沿样品制备参数优化的过程中，我们通过调控还原条件发现，如果温度不变，逐步增加还原时间，结果就会发生‘弱绝缘→超导→弱绝缘’的变化。”表面上看，是制备工艺的不同导致，但乔梁总觉得是一个新的角度。

“往深一步想，为什么调控时间会引起这样的差别？”他注意到，以往没有任何课题组深究过氢化钙这个还原剂。“是不是氢元素在起作用？”

但这是一个“黑匣子”。氢原子具有最小的原子半径和原子质量，与常规探测媒介相互作用弱、散射截面小，导致其很难被探测到。

随即，乔梁寻求澳大利亚合作者Sean Li的帮助，利用极高元素敏感性的飞行时间二次离子质谱发现镍基超导外延薄膜中存在大量的氢元素，而且氢元素自始至终存在于薄膜晶格外延生长和拓扑化学还原的过程，进一步结合基于量子力学第一性原理的方法确定了氢元素在材料内部的原子占据位置。

2021年11月，团队确定了所谓的调控还原时间，其本质就是在调控氢元素。时间增长，氢元素就多，反之亦然。

在极低温强磁场输运性质研究中，乔梁发现，锶含量不变的情况下，通过调控氢元素的含量，可以实现“弱绝缘→超导→弱绝缘”的连续相变，说明氢元素的确对超导电性的出现有关键的作用。

但乔梁又提出了一个问题：为什么调控氢元素会对超导电性产生影响？氢元素到底产生了怎样的作用？

（a）镍基超导中H元素作用的示意图；（b）SIMS实验结果，证明H的存在；（c）H元素含量的有效调控 受访者供图

纺锤形“小包”的发现

在此之前，团队与英国钻石光源的周克瑾合作，通过基于同步辐射的共振X射线非弹性散射（RIXS）技术和电子结构计算，已经研究了镍基超导体费米面附近的电子结构。

乔梁在超导样品的RIXS图中，观察到了一个纺锤形的“小包”。对比了其他几个类似研究，都没出现过这种电子轨道，他起初怀疑是测定有失误，也不知如何解释。

直到11月份，团队发现了氢的存在，才开始考虑是否可以找到氢存在的电子态的证据。此时，乔梁又想起了那个悬而未决的“小包”之谜。

“这个图肯定是有用的。”乔梁继续查找文献资料，发现曾有同领域两篇理论性文章，预言过奇异电子态（巡游态的间隙位s轨道，IIS）的状态，但研究者并没有重视。“因为在传统氧化物材料里，并不存在这种电子态，但在氮化物等半导体中很常见。”

他再次仔细查阅了和自己做了类似RIXS实验的其他已经发表的文章，发现有的实验中其实隐约出现过类似的“小包”，只不过被研究人员忽略了。

自己使用的设备来自英国钻石光源RIXS线站，具有目前世界最高的能量分辨率，所以图像更明显。“况且这个‘小包’具有s轨道的属性，即不同方向的光，产生的激发效果差别不大，说明这个电子态具有各向同性。”

乔梁设想，假定“小包”就是理论预言的IIS轨道，从这个思路对实验结果进行反推，看能否成立，说不定有助于解释氢元素与IIS轨道的关系，及其对超导的影响。

“根据铜基材料的研究经验，对超导起着决定性作用的是金属元素的3d轨道。”他解释，在镍基超导体中，其费米面附近的电子结构中， IIS、Ni3d、Nd5d等轨道之间存在较强的相互作用。因此，IIS轨道的强烈吸引，导致费米面附近Ni3d轨道的有效占据减少，丧失了超导的能力。

“氢元素的加入，填满了轨道空隙，如一只无形的‘手’，导致IIS轨道没法‘拖拽’Ni3d轨道，产生了类似于铜基超导的费米面电子结构，进而促进超导态的出现。”乔梁和理论合作者黄兵讨论后认为，如果氢元素超过一定数量，反而会进一步改变Ni3d轨道极化情况，也不利于实现超导。

2022年3月团队形成了上述的思路，并与黄兵和周克瑾做进一步理论计算和光谱测量，最终刻画出“轨道污染”和“轨道纯化”竞争的示意图。并于4月完成了文章初稿，交稿后也收到了审稿人“极具创新性”的评价。

回顾整个过程，乔梁认为此次研究改变了科学家对镍基超导材料的基本认知，提供了一个更为准确和合理的物理模型。研究结果也可以解释为何仅有少数课题可以成功制备零电阻镍基超导样品的原因：忽视了氢元素对超导的影响，进而没有去控制这个关键因素。

他也特别感谢周克瑾在RIXS实验、黄兵在理论计算以及其他合作者在材料表征方面的支持，为研究提供了多学科的知识和思维的角度。

“但提高对氢控制的精确度和可重复性还是比较难。我们的研究只是抛砖引玉，提供了一个方向。”乔梁表示。

（a）RIXS实验观测到的IIS轨道激发（绿色虚线圈内为观察到的神秘“小包）；（b）DFT理论计算的IIS轨道；（c）“轨道污染”和“轨道纯化”竞争的示意图 受访者供图