综述：高熵超导体

《Annual Review of Fluid Mechanics》：High entropy superconductors

高熵超导体（HESs）因其在极端条件下的优异性能成为研究热点，本文系统综述了HESs的分类与发展，重点分析了高熵设计对临界温度、电流密度及磁场的影响机制，并指出其机械强度、抗辐射能力及高压超导性等突出特性。

　　高熵材料近年来成为了科学界关注的热点，因其在多个领域中展现出的优异特性而备受瞩目。从合金开发到催化反应，再到凝聚态物理，高熵材料的应用潜力不断拓展。特别是高熵超导体（HESs），由于其由熵驱动的卓越超导性能，吸引了大量研究兴趣。这些材料不仅在传统超导体系中表现突出，如铜氧化物、镍酸盐、氢化物、铁基超导体以及二维材料堆叠体系中，还展现了在极端条件下如高压和辐射环境下的强超导性。这种独特的属性使得高熵超导体成为超导领域中一个重要的新类别，为发现新的超导材料提供了全新的平台。

高熵的概念最初在2004年被提出，作为合金设计的一种策略，即高熵合金（HEAs）。不同于传统的合金，通常只包含一种或两种主要元素并掺杂少量其他元素，高熵合金是由五种或更多元素组成的等原子比体系。这种设计方式使得高熵合金具有高度的构型无序性，从而赋予其增强的机械性能，如高断裂韧性、延展性等。由于许多金属元素和简单合金本身具有超导性，例如铌-钛二元合金因其良好的延展性仍被广泛用于商业超导磁体，因此探索高熵超导体具有重要的科学意义和经济价值。

在深入讨论超导性之前，有必要总结高熵材料在常态下的特性。例如，典型的高熵合金表现出较高的电导率，这是由于化学无序引起的强烈散射效应。它们的比热通常反映了费米能级附近的高电子态密度。声速则提供了关于晶格刚度和声子谱的信息，这些因素在传统超导材料中影响电子-声子耦合的强度。磁性也是影响超导性能的重要因素，尽管许多高熵合金是非磁性的，但磁性元素的引入可能导致复杂的相互作用，从而影响超导配对。这些常态特性为理解高熵设计如何影响超导性能奠定了基础，包括临界温度、上临界磁场以及涡旋动力学等。

高熵超导体可以被广义地定义为在特定晶格位置中包含多种元素（通常为五种或更多）的超导材料。这种设计策略产生较大的构型熵，有助于稳定单相结构或扩展可访问的相空间，类似于高熵合金的设计理念。在高熵合金中，大量的混合熵被证明能够抑制相分离，从而带来显著的性能提升，如强度、硬度、热稳定性和抗辐射性等。

当这一设计理念扩展到超导材料时，它引入了特定位置的化学无序，同时保持了超导所需的结构特征。一个显著的例子是本身具有超导性的高熵合金，其中超导状态与高度无序的原子环境共存。在层状铜酸盐如REBCO（稀土钡铜氧）中，多种稀土元素在稀土位点的替代能够保持CuO?平面的完整性，同时引入显著的构型熵，从而影响超导性能。类似的情况也出现在层状BiS?化合物中，其中位点选择性的混合可以增强相稳定性并改变超导参数，而不破坏导电层。

与它们的母体超导材料相比，高熵设计展现出潜在的优势。在某些情况下，高熵增强了超导性对无序的抗性，提高了上临界磁场，并在极端条件下稳定了相态。这些特性表明，构型熵为调控超导材料提供了一个强大的参数，超越了传统的化学替代方法。在这一综述中，我们总结了高熵超导体领域的最新进展，重点讨论了高熵合金型超导体和具有高熵替代的层状体系，并探讨了熵工程如何为设计具有增强或新型功能的超导材料开辟新的路径。

2014年，第一篇关于高熵合金超导体的论文确认了高熵超导体的概念。以Nb-Ti为基础的Ta-Nb-Hf-Zr-Ti高熵合金表现出II型超导特性，其临界温度约为7.3 K，接近于在弱电子-声子耦合极限下具有声子介导特性的BCS型超导体（晶格结构如图1a所示）。自那时起，高熵超导体的研究迅速发展，并引起了广泛关注。一些研究指出，高熵合金超导体的大量可用电子态可能增强电子-声子耦合，从而提高临界温度。此外，基于BCS理论，临界温度不仅与电子-声子耦合的强度有关，还取决于费米能级附近电子态密度（DOS）的大小。高熵可能增加可用电子态的数量，从而提高费米能级附近的态密度，进而增强临界温度。同时，熵驱动的DOS和电子-声子耦合调控可能导致低能带色散的完全重正化。

随后，高熵超导体的概念被扩展到基于BiS?的层状体系，如REOBiS?（RE为稀土元素），通过在稀土位点引入La、Ce、Pr、Nd或Sm等元素实现。这一进展发生在2018年（如图1b所示）。紧接着，2019年提出了基于高熵合金型碲化物的新型高熵超导体（AgInSnPbBiTe?），如图1c所示。此外，高熵概念也被引入到重要的高临界温度（约90 K）的超导材料YBCO（钇钡铜氧）中，通过在钇位点与其他稀土元素的混合实现。直到最近，新的高熵硅化物超导体（如NbMoWReRu）?Si?，具有W?Si?型结构（如图1e所示），以及过渡金属锑化物（如RuRhPdIr）?.?Pt?.?Sb和磷硒化物（如MnFeCuCdIn）PSe?也被提出。这些熵驱动的探索为传统和非传统超导材料带来了意想不到的性能提升，包括在高压下的强超导性、抗辐射能力以及卓越的机械性能等。

图2展示了每年发表的高熵超导体相关论文数量的统计，这表明高熵超导体的研究正日益受到重视。因此，对各种高熵超导体进行全面总结具有高度的兴趣和价值，因为该领域的研究在之前的综述基础上取得了快速进展。此外，之前的综述主要集中在基于高熵合金的高熵超导体，而忽略了上述提到的其他类型。例如，高熵设计可以通过构型无序、电子带宽调节和增强相稳定性来影响超导性。然而，其影响可能因超导能隙对称性而有所不同。在传统s波超导体中，如基于高熵合金的高熵超导体，各向同性的能隙通常对非磁性无序具有较强的抗性，而高熵主要影响电子态密度、晶格稳定性和电子-声子耦合，往往增强或稳定临界温度。相比之下，非传统d波超导体，如REBCO铜酸盐，由于各向异性的能隙结构，对无序更为敏感。在此类材料中，高熵替代在非导电位点（如稀土位点）引入的可控无序不会显著破坏CuO?平面，从而保持超导性并可能提升相稳定性。

综上所述，尽管高熵普遍有助于结构稳定性和相稳定化，但其对超导性能的影响可能与能隙对称性相关，尤其在无序不会强烈抑制配对相互作用的材料中更为显著。在这一综述中，我们对高熵超导体进行了全面总结，将其分为五个代表性体系：高熵合金、层状BiS?化合物、NaCl型结构、REBCO铜酸盐以及其他变体。我们概述了高熵超导体的发展历程，并系统分析了高熵对超导性能的影响，特别是临界温度、临界电流密度和上临界磁场。此外，我们还讨论了那些常被忽视的高熵材料的显著特性，如卓越的机械性能和抗辐射能力。同时，我们倡导对高熵材料的研究应超越单纯提高临界温度，强调构建具有功能性的高熵超导体的重要性，这些材料应在保持临界温度的同时增强其他参数，如临界电流密度、上临界磁场、超导相变临界压力以及对实际应用至关重要的机械和抗辐射性能。

高熵超导体的研究不仅拓展了我们对超导材料的理解，还为探索新型材料提供了新的思路。随着研究的深入，科学家们发现高熵材料在多个方面表现出独特的优势。例如，高熵材料在高压下展现出极强的超导性，这一特性为开发高压诱导的高临界温度超导体提供了新的途径。此外，高熵材料在辐射环境下表现出优异的抗辐射能力，这在某些高性能应用中尤为重要。同时，高熵材料的机械性能也显著增强，相比原始材料具有更高的硬度和抗腐蚀能力。

在实际应用中，高熵材料展现出广阔的发展前景。例如，高熵合金型超导体可以用于制造高性能的超导磁体，而层状BiS?化合物则可能在高温超导领域中发挥重要作用。这些材料的多样性使得它们能够适应不同的应用场景，从基础科学研究到工程应用。因此，研究高熵材料不仅有助于理解超导机制，还可能推动新型超导材料的开发。

随着高熵材料研究的不断深入，科学家们对高熵超导体的理解也在不断加深。通过实验和理论分析，研究人员发现高熵材料在多种条件下表现出稳定的超导性能，这为开发新型超导材料提供了重要的线索。同时，高熵材料的机械性能和抗辐射能力也使其在极端环境下具有应用潜力。这些特性使得高熵材料在多个领域中具有重要的研究价值。

此外，高熵材料的研究还促进了对超导机制的深入探讨。通过研究不同体系中的高熵超导体，科学家们发现高熵对超导性能的影响是多方面的。它不仅影响电子态密度和电子-声子耦合，还可能通过其他机制影响超导性能。例如，高熵材料在高压下的超导性可能与其独特的电子结构有关，而抗辐射能力可能与其稳定的晶格结构相关。这些发现为未来的研究提供了新的方向。

在这一领域，科学家们不仅关注高熵材料的超导性能，还关注其在其他方面的应用潜力。例如，高熵材料在机械性能和抗辐射能力方面的优势可能使其在航空航天、核能等高要求的领域中具有重要价值。同时，高熵材料的多样性也为开发新型材料提供了丰富的可能性。因此，研究高熵材料不仅有助于推动基础科学研究，还可能带来实际应用的突破。

随着研究的不断深入，科学家们发现高熵材料在多个方面展现出独特的特性。例如，高熵材料在高压下表现出极强的超导性，这为开发新型超导材料提供了重要的线索。同时，高熵材料在辐射环境下表现出优异的抗辐射能力，这在某些高性能应用中尤为重要。这些特性使得高熵材料在多个领域中具有重要的研究价值。

综上所述，高熵材料的研究为超导领域带来了新的视角和机遇。通过深入研究高熵材料的特性，科学家们能够更好地理解其在超导性能中的作用，并为未来的研究提供重要的指导。因此，高熵材料不仅是一个重要的研究方向，更可能成为推动超导技术发展的关键因素。