北京時間2月18日零點，南方科技大學校長薛其坤院士領(lǐng)銜的南方科技大學、粵港澳大灣區(qū)量子科學中心與清華大學聯(lián)合組成的研究團隊，在國際頂級學術(shù)期刊《自然》線上發(fā)表研究成果。
團隊在常壓環(huán)境下實現(xiàn)了鎳氧化物材料的高溫超導電性，超導起始轉(zhuǎn)變溫度突破40開爾文（K），相當于零下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”的高溫超導材料體系，為解決高溫超導機理的科學難題提供了全新突破口。
成功獲得在常壓下鎳基材料的超導電性
超導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。
超導現(xiàn)象自1911年被發(fā)現(xiàn)以來，尋找更高溫度的超導材料成為國際科學界的一個重要研究方向。傳統(tǒng)超導體的超導最高轉(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轉(zhuǎn)變溫度突破了“麥克米蘭極限”，被稱為高溫超導體，但高溫超導機理復雜如同“量子迷宮”，科學家探索近40年仍未破解。
近年來，鎳基超導材料“異軍突起”。2019年，美國科學家首次在鎳基薄膜中觀測到超導電性，但其超導溫度較低。
2023年，中山大學的王猛團隊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，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，成為全球科學家競相追逐的目標。
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，并精確控制化學配比，如同在納米尺度上“搭原子積木”，構(gòu)建出結(jié)構(gòu)復雜、熱力學亞穩(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)。
他們試驗了一千多片樣品，最后成功地獲得了常壓下的超導電性。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。
“90后”中國團隊全部采用國產(chǎn)儀器實現(xiàn)突破
課題組表示，鎳基超導研究是當前國際科學界的前沿熱點，全球競爭異常激烈。美國斯坦福大學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電性。中美團隊研究路徑獨立，實驗相互印證。
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)了科學上的突破性發(fā)現(xiàn)，更為我國在超導乃至量子材料領(lǐng)域的長期自主發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
此次發(fā)現(xiàn)，是在新型有組織科研的模式下，經(jīng)過南科大、粵港澳大灣區(qū)量子科學中心、清華大學三個單位，大團隊異地協(xié)作不懈科研攻堅所取得的成果。
引人注意的是，實現(xiàn)這一重大突破的科研團隊高度年輕化。團隊負責人陳卓昱是一名“90后”，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物理系，后赴美國斯坦福大學深造，一直保持對物理的熱忱。
陳卓昱三年前回到家鄉(xiāng)深圳，任職南方科技大學物理系，在薛其坤院士的領(lǐng)導下，從零開始組建超導機理實驗室，開展高溫超導研究。這項成果正是在他的直接率領(lǐng)下，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。
課題組表示，本次科研突破充分展示了我國在高溫超導前沿領(lǐng)域的原創(chuàng)競爭能力，彰顯了跨區(qū)域科技創(chuàng)新的協(xié)同能力，體現(xiàn)了以“90后”為代表的年輕科學家團隊在技術(shù)方法上的開拓創(chuàng)新能力，凸顯了以粵港澳大灣區(qū)為代表的國產(chǎn)自主可控科研設(shè)備對前沿科研創(chuàng)新的支撐能力。
該研究已引發(fā)國際學術(shù)界高度關(guān)注。鎳基、銅基與鐵基三類高溫超導體電子結(jié)構(gòu)相異，通過三者的對比研究，可以深入理解高溫超導電子配對的核心機制，為破解高溫超導機理這一世紀科學難題提供關(guān)鍵鑰匙。
“超導機理的突破不僅將深化人類對量子物質(zhì)行為的理解，更將為能源、信息、醫(yī)療等領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)奠定科學基石，進一步有力推動社會生產(chǎn)力的提升和科技創(chuàng)新發(fā)展?！闭n題組表示。
南方+記者 李秀婷
