北京時間2025年2月18日，南方科技大學(xué)校長薛其坤院士領(lǐng)銜的南方科技大學(xué)、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心與清華大學(xué)聯(lián)合組成的研究團隊（以下簡稱“研究團隊”），在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》線上發(fā)表研究成果。
研究團隊在常壓環(huán)境下實現(xiàn)了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開爾文（K），相當(dāng)于零下233攝氏度，觀測到“零電阻”和“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，第三類在常壓下突破40K“麥克米蘭極限”的高溫超導(dǎo)材料體系，為解決高溫超導(dǎo)機理的科學(xué)難題提供了全新突破口。
超導(dǎo)好比電力高速公路上的“零能耗跑車”，電流通過時完全沒有損耗，被廣泛認為具有顛覆性的技術(shù)前景。超導(dǎo)現(xiàn)象自1911年被發(fā)現(xiàn)以來，尋找更高溫度的超導(dǎo)材料成為國際科學(xué)界的一個重要研究方向。傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)最高轉(zhuǎn)變溫度為40K，也就是“麥克米蘭極限”。此前，銅基和鐵基兩類材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破了“麥克米蘭極限”，被稱為高溫超導(dǎo)體，但高溫超導(dǎo)機理復(fù)雜如同“量子迷宮”，科學(xué)家探索近40年仍未破解。
近年來，鎳基超導(dǎo)材料“異軍突起”。2019年，美國科學(xué)家首次在鎳基薄膜中觀測到超導(dǎo)電性，但其超導(dǎo)溫度較低。2023年，我國科學(xué)家在超過十萬個大氣壓的高壓環(huán)境下，實現(xiàn)了鎳基材料的液氮溫區(qū)超導(dǎo)，在國際上引起廣泛影響。然而，如何擺脫高壓限制、實現(xiàn)常壓高溫超導(dǎo)，成為全球科學(xué)家競相追逐的目標。
針對這一挑戰(zhàn)，三年來，由薛其坤院士與南方科技大學(xué)物理系副教授陳卓昱率領(lǐng)的研究團隊持續(xù)攻關(guān)，自主研發(fā)了“強氧化原子逐層外延”技術(shù)。這項技術(shù)可以在氧化能力比傳統(tǒng)方法強上萬倍的條件下，依然實現(xiàn)原子層的逐層生長，并精確控制化學(xué)配比，如同在納米尺度上“搭原子積木”，構(gòu)建出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱力學(xué)亞穩(wěn)、但晶體質(zhì)量趨于完美的氧化物薄膜，這是氧化物薄膜外延生長技術(shù)的一次重大跨越，不僅為包括寬禁帶半導(dǎo)體等各類氧化物的缺氧難題提供了解決方案，還極大地拓展了高溫超導(dǎo)等強關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的人工設(shè)計與制備。
研究團隊將這項技術(shù)應(yīng)用于鎳基超導(dǎo)材料的開發(fā)之中：在原子級平滑的基片之上，精確排列鎳、氧等原子，構(gòu)建出厚度僅幾納米的超薄膜。特別是，研究團隊在極強的氧化環(huán)境下，通過界面工程，實現(xiàn)了“原子鉚釘術(shù)”，固定住了原本需要極高壓環(huán)境下才能穩(wěn)定存在的原子結(jié)構(gòu)。
研究團隊試驗了一千多片樣品，最后成功地獲得了常壓下的超導(dǎo)電性。通過精密的電磁輸運測量，觀測到了零電阻與抗磁性，確認了高溫超導(dǎo)電性的存在。此次突破也表明，通過界面工程優(yōu)化材料設(shè)計，很有希望在更高的溫度，例如液氮溫區(qū)實現(xiàn)鎳基超導(dǎo)。
鎳基超導(dǎo)研究是當(dāng)前國際科學(xué)界的前沿?zé)狳c，全球競爭異常激烈。美國斯坦福大學(xué)的研究團隊與合作者幾乎同時也報告了類似材料體系中的常壓超導(dǎo)電性。中美團隊研究路徑獨立，實驗相互印證。特別值得一提的是，中國團隊全部采用國產(chǎn)儀器，發(fā)展了獨特的強氧化能力薄膜生長技術(shù)，成功獲得了晶體質(zhì)量更高的薄膜材料，不僅實現(xiàn)了科學(xué)上的突破性發(fā)現(xiàn)，更為我國在超導(dǎo)乃至量子材料領(lǐng)域的長期自主發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
引人注意的是，實現(xiàn)這一重大突破的研究團隊高度年輕化，主要由博士后和在讀研究生組成的平均年齡僅28歲的研究團隊努力攻關(guān)而取得的。團隊負責(zé)人陳卓昱副教授年僅35歲，他從小酷愛物理，以廣東省高中物理競賽第一名保送清華大學(xué)物理系，后赴美國斯坦福大學(xué)深造，一直保持對物理的熱忱。陳卓昱三年前回到家鄉(xiāng)深圳，任職南方科技大學(xué)物理系，在薛其坤院士的領(lǐng)導(dǎo)下，從零開始組建超導(dǎo)機理實驗室，開展高溫超導(dǎo)研究。
南方網(wǎng)、粵學(xué)習(xí)記者 劉單燕
