北京時(shí)間2025年2月18日，南方科技大學(xué)校長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱“研究團(tuán)隊(duì)”），在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》線上發(fā)表研究成果。
研究團(tuán)隊(duì)在常壓環(huán)境下實(shí)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(kāi)爾文（K），相當(dāng)于零下233攝氏度，觀測(cè)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(jī)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(guò)時(shí)完全沒(méi)有損耗，被廣泛認(rèn)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(lái)，尋找更高溫度的超導(dǎo)材料成為國(guó)際科學(xué)界的一個(gè)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(jī)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(lái)，鎳基超導(dǎo)材料“異軍突起”。2019年，美國(guó)科學(xué)家首次在鎳基薄膜中觀測(cè)到超導(dǎo)電性，但其超導(dǎo)溫度較低。2023年，我國(guó)科學(xué)家在超過(guò)十萬(wàn)個(gè)大氣壓的高壓環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了鎳基材料的液氮溫區(qū)超導(dǎo)，在國(guó)際上引起廣泛影響。然而，如何擺脫高壓限制、實(shí)現(xiàn)常壓高溫超導(dǎo)，成為全球科學(xué)家競(jìng)相追逐的目標(biāo)。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，三年來(lái)，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(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，自主研發(fā)了“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以在氧化能力比傳統(tǒng)方法強(qiáng)上萬(wàn)倍的條件下，依然實(shí)現(xiàn)原子層的逐層生長(zhǎng)，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(zhǎng)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(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)與制備。
研究團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于鎳基超導(dǎo)材料的開(kāi)發(fā)之中：在原子級(jí)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(tuán)隊(duì)在極強(qiáng)的氧化環(huán)境下，通過(guò)界面工程，實(shí)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(tuán)隊(duì)試驗(yàn)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(guò)精密的電磁輸運(yùn)測(cè)量，觀測(cè)到了零電阻與抗磁性，確認(rèn)了高溫超導(dǎo)電性的存在。此次突破也表明，通過(guò)界面工程優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，很有希望在更高的溫度，例如液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)鎳基超導(dǎo)。
鎳基超導(dǎo)研究是當(dāng)前國(guó)際科學(xué)界的前沿?zé)狳c(diǎn)，全球競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)與合作者幾乎同時(shí)也報(bào)告了類似材料體系中的常壓超導(dǎo)電性。中美團(tuán)隊(duì)研究路徑獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)相互印證。特別值得一提的是，中國(guó)團(tuán)隊(duì)全部采用國(guó)產(chǎn)儀器，發(fā)展了獨(dú)特的強(qiáng)氧化能力薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，成功獲得了晶體質(zhì)量更高的薄膜材料，不僅實(shí)現(xiàn)了科學(xué)上的突破性發(fā)現(xiàn)，更為我國(guó)在超導(dǎo)乃至量子材料領(lǐng)域的長(zhǎng)期自主發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
引人注意的是，實(shí)現(xiàn)這一重大突破的研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)努力攻關(guān)而取得的。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳卓昱副教授年僅35歲，他從小酷愛(ài)物理，以廣東省高中物理競(jìng)賽第一名保送清華大學(xué)物理系，后赴美國(guó)斯坦福大學(xué)深造，一直保持對(duì)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(kāi)始組建超導(dǎo)機(jī)理實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展高溫超導(dǎo)研究。
南方網(wǎng)、粵學(xué)習(xí)記者 劉單燕
