2025年高中物理知識(shí)競(jìng)賽高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)測(cè)試（二）一、高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展（一）鎳基高溫超導(dǎo)材料體系的建立2025年2月，由薛其坤院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表重大成果，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，超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度突破40開(kāi)爾文（-233℃），使鎳基材料成為繼銅基、鐵基之后第三類(lèi)突破"麥克米蘭極限"的常壓高溫超導(dǎo)體系。這一發(fā)現(xiàn)通過(guò)精密電磁輸運(yùn)測(cè)量，同時(shí)觀測(cè)到零電阻現(xiàn)象與邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性），為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了全新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該材料體系的獨(dú)特之處在于其層狀晶體結(jié)構(gòu)中鎳氧八面體的畸變方式，通過(guò)調(diào)節(jié)面內(nèi)晶格應(yīng)力可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的連續(xù)調(diào)控，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示當(dāng)面內(nèi)壓縮應(yīng)變達(dá)到1.2%時(shí)，臨界電流密度提升至1.8×10?A/cm2（4.2K條件下）。（二）"強(qiáng)氧化原子逐層外延"技術(shù)原理為突破傳統(tǒng)制備方法的局限，研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)采用脈沖激光沉積系統(tǒng)，在超高真空環(huán)境（1×10??Pa）下，通過(guò)臭氧輔助氧化實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精確控制。該技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于：采用同步輻射光電子能譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)過(guò)程，確保鎳離子價(jià)態(tài)穩(wěn)定在+2.5價(jià)；通過(guò)襯底晶格失配度設(shè)計(jì)（選用SrTiO?(001)襯底，晶格失配率-0.8%），誘導(dǎo)形成具有金屬性的二維電子氣界面。與傳統(tǒng)固相反應(yīng)法相比，該技術(shù)使氧空位濃度降低至0.01%以下，晶體缺陷密度減少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，為研究電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)提供了接近理想的實(shí)驗(yàn)體系。（三）高溫超導(dǎo)機(jī)理的新視角鎳基超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)為解決高溫超導(dǎo)機(jī)理的"量子迷宮"提供了關(guān)鍵線(xiàn)索。角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)顯示，其費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)嵌套的口袋狀特征，在費(fèi)米能級(jí)附近存在顯著的范霍夫奇點(diǎn)，這與銅基超導(dǎo)體的"費(fèi)米弧"形成鮮明對(duì)比。理論計(jì)算表明，該體系中電子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度參數(shù)U/W≈3.2（U為庫(kù)侖排斥能，W為帶寬），處于強(qiáng)關(guān)聯(lián)與弱關(guān)聯(lián)的過(guò)渡區(qū)域。特別值得注意的是，核磁共振實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到??Se核自旋晶格弛豫率在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以上出現(xiàn)線(xiàn)性溫度依賴(lài)關(guān)系，暗示可能存在非費(fèi)米液體行為。這些發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的BCS理論框架，促使物理學(xué)家重新審視電子-聲子耦合與自旋漲落在高溫超導(dǎo)中的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。二、拓?fù)湮飸B(tài)研究的前沿突破（一）新型拓?fù)溥吘墤B(tài)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)2025年9月，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在125比特"天目2號(hào)"超導(dǎo)量子芯片上，首次實(shí)現(xiàn)有限溫度下穩(wěn)定存在的對(duì)稱(chēng)性保護(hù)拓?fù)溥吘墤B(tài)。該實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了由100個(gè)超導(dǎo)量子比特組成的一維Su-Schrieffer-Heeger模型，通過(guò)量子淬火動(dòng)力學(xué)過(guò)程觀測(cè)到拓?fù)浔Ｗo(hù)的"零模"激發(fā)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在50mK溫度下，邊緣態(tài)量子相干時(shí)間達(dá)到87μs，比傳統(tǒng)無(wú)序保護(hù)方案提升3倍；通過(guò)量子態(tài)層析技術(shù)驗(yàn)證，該邊緣態(tài)保真度維持在92.3%，即使在引入20%的局域噪聲時(shí)仍保持拓?fù)浜?jiǎn)并性。這一成果為解決量子信息存儲(chǔ)中的退相干問(wèn)題提供了全新方案。（二）莫爾超晶格中的拓?fù)淞孔蝇F(xiàn)象國(guó)家自然科學(xué)基金委2025年度重點(diǎn)項(xiàng)目"莫爾平帶體系關(guān)聯(lián)和拓?fù)淞孔游飸B(tài)"的研究顯示，在AB堆垛的雙層WSe?中，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為1.1°時(shí)，電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)使莫爾平帶的費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)Chern絕緣體相。掃描隧道顯微鏡觀測(cè)到的朗道能級(jí)劈裂現(xiàn)象表明，該體系的陳數(shù)C=1，對(duì)應(yīng)量子霍爾電導(dǎo)σ??=e2/h。通過(guò)柵壓調(diào)控電子填充因子，實(shí)現(xiàn)了從普通絕緣體到量子反常霍爾態(tài)的連續(xù)轉(zhuǎn)變，在1.5K溫度下觀測(cè)到霍爾電阻平臺(tái)值h/e2，精度達(dá)到10??量級(jí)。這種無(wú)需外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，為開(kāi)發(fā)低能耗電子器件提供了理論基礎(chǔ)。（三）拓?fù)浒虢饘俚妮斶\(yùn)特性方忠、戴希團(tuán)隊(duì)預(yù)言的新型拓?fù)浒虢饘俨牧蟌rSiSe展現(xiàn)出獨(dú)特的輸運(yùn)行為：在磁場(chǎng)平行于電流方向時(shí)，出現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)，磁阻率達(dá)到1.2×10?Ω·cm（9T，2K）；而當(dāng)磁場(chǎng)垂直于電流方向時(shí)，觀測(cè)到線(xiàn)性磁阻行為，符合費(fèi)米弧表面態(tài)的理論預(yù)期。角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)證實(shí)該材料具有三重簡(jiǎn)并點(diǎn)費(fèi)米子，其準(zhǔn)粒子壽命達(dá)到1.8×10?13s，比傳統(tǒng)半導(dǎo)體高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種拓?fù)浔Ｗo(hù)的電子態(tài)在太赫茲探測(cè)器應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異性能，響應(yīng)速度達(dá)到50ps，探測(cè)率D*=3.2×1013Jones（77K條件下）。三、技術(shù)應(yīng)用與未來(lái)展望（一）高溫超導(dǎo)材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展我國(guó)高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)已形成從材料制備到器件應(yīng)用的完整鏈條：上海超導(dǎo)科技公司開(kāi)發(fā)的第二代釔鋇銅氧帶材，采用離子束輔助沉積技術(shù)，實(shí)現(xiàn)臨界電流密度3.5×10?A/cm2（77K，自場(chǎng)），帶材長(zhǎng)度突破1000米級(jí)；永鼎股份建成的高溫超導(dǎo)直流電纜示范工程（35kV/2kA），輸電損耗僅為常規(guī)電纜的1/10，在蘇州工業(yè)園區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)18個(gè)月。根據(jù)《2025中國(guó)超導(dǎo)材料市場(chǎng)報(bào)告》，高溫超導(dǎo)帶材年產(chǎn)能預(yù)計(jì)達(dá)7000公里，市場(chǎng)規(guī)模突破90億元，在智能電網(wǎng)、核磁共振成像等領(lǐng)域的應(yīng)用占比達(dá)65%。（二）拓?fù)淞孔佑?jì)算的突破方向基于拓?fù)浔Ｗo(hù)原理的量子計(jì)算方案展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：丁洪團(tuán)隊(duì)在CePtBi半金屬中觀測(cè)到馬約拉納零模，通過(guò)掃描隧道譜測(cè)量，在零能點(diǎn)處出現(xiàn)conductancepeaksplitting現(xiàn)象，峰寬僅2.3meV，符合非阿貝爾任意子的特征。清華大學(xué)"天目2號(hào)"量子芯片實(shí)現(xiàn)的100比特拓?fù)滏?，成功演示了量子隱形傳態(tài)協(xié)議，保真度達(dá)到89.7%，為構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)到2030年，基于拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔犹幚砥鲗?shí)現(xiàn)50個(gè)邏輯比特的穩(wěn)定運(yùn)行，量子體積突破10?。（三）交叉學(xué)科的融合創(chuàng)新高溫超導(dǎo)與拓?fù)湮飸B(tài)的研究推動(dòng)了多學(xué)科交叉發(fā)展：在能源領(lǐng)域，基于高溫超導(dǎo)磁體的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能密度達(dá)到200Wh/kg，充放電效率95%以上；在醫(yī)療領(lǐng)域，拓?fù)浣^緣體表面修飾的納米載藥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靶向治療效率提升4倍；在國(guó)家安全領(lǐng)域，拓?fù)浔Ｗo(hù)的太赫茲成像技術(shù)，可穿透20cm厚混凝土墻體實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。這些跨領(lǐng)域應(yīng)用充分體現(xiàn)了基礎(chǔ)研究對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的引領(lǐng)作用。四、競(jìng)賽測(cè)試重點(diǎn)解析（一）核心概念辨析題超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度：需區(qū)分起始轉(zhuǎn)變溫度（T_c^onset）、中點(diǎn)溫度（T_c^midpoint）和零電阻溫度（T_c^zero），鎳基超導(dǎo)材料的這三個(gè)特征溫度分別為42K、38K和36.5K，符合二級(jí)相變的特征。拓?fù)洳蛔兞浚宏悢?shù)（Chernnumber）用于描述二維拓?fù)浣^緣體的量子化霍爾電導(dǎo)，而Z?不變量則適用于時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)的拓?fù)湎到y(tǒng)，如Bi?Se?的Z?拓?fù)洳蛔兞繛?，表明其具有非平庸拓?fù)湫再|(zhì)。量子相干性：拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子態(tài)通過(guò)Berry相位實(shí)現(xiàn)退相干抑制，在超導(dǎo)量子比特中表現(xiàn)為T(mén)1弛豫時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到拓?fù)溥吘墤B(tài)的T1=87μs，遠(yuǎn)大于普通超導(dǎo)量子比特的35μs。（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析題在高溫超導(dǎo)材料制備實(shí)驗(yàn)中，需控制的關(guān)鍵參數(shù)包括：氧分壓：最佳值為5×10??Pa，過(guò)高導(dǎo)致過(guò)氧化形成Ni3?，過(guò)低則產(chǎn)生氧空位襯底溫度：750℃為最佳生長(zhǎng)溫度，溫度波動(dòng)需控制在±1℃范圍內(nèi)激光能量密度：2.5J/cm2的KrF準(zhǔn)分子激光（波長(zhǎng)248nm）可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)晶質(zhì)量（三）計(jì)算應(yīng)用題已知某高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流I_c=120A，寬度w=4mm，厚度d=0.2mm，計(jì)算臨界電流密度J_c=I_c/(w·d)=1.5×10?A/cm2。拓?fù)浒虢饘賈rSiSe的線(xiàn)性磁阻系數(shù)α=Δρ/ΔB=15Ω·cm/T，當(dāng)外加磁場(chǎng)B=5T時(shí)，磁阻率ρ=ρ?+αB=75Ω·cm（ρ?=0）。量子比特的相干時(shí)間T2=65μs，計(jì)算其量子門(mén)操作的最大保真度F=1-(π2/3)(Δω·T2)2=99.2%（