我國科學家在鎳基高溫超導研究領域再獲重要突破。南方科技大學量子功能材料全國重點實驗室和物理系、粵港澳大灣區量子科學中心薛其坤—陳卓昱團隊，與中國科學技術大學沈大偉團隊等合作，近日在國際學術期刊《自然》發表最新研究成果：團隊在極端氧化條件下，通過人工設計原子堆疊序列，成功創制出兩種全新的常壓鎳基高溫超導材料；與此同時，借助角分辨光電子能譜技術，研究人員識別出與超導態密切相關的關鍵電子能帶結構，為揭示鎳基高溫超導機理提供了重要實驗依據。
像“搭積木”一樣
在原子層面設計并構造全新超導體
超導，是指材料在特定條件下電阻完全消失、電流可以無損耗流動的現象。高溫超導研究則是凝聚態物理領域最重要的前沿問題之一。繼銅基、鐵基高溫超導體之后，鎳基材料被認為是有望幫助科學家進一步理解高溫超導機理的第三類重要體系。對這一體系的深入研究，不僅關系基礎科學前沿，也被認為將為未來能源輸運、精密探測、信息技術和量子計算等領域帶來重要啟發。
不過，鎳基超導材料的研究長期面臨一個核心難題：實現超導所必需的高氧化狀態，與材料穩定生長所需要的條件彼此沖突。這就好比要同時燒制瓷器的瓷胎和釉面——瓷胎成型需要溫和穩定的環境，釉面顯色則需要猛火強氧，兩道工序的條件針鋒相對，傳統方法很難兼顧。
針對這一難題，研究團隊自主研發出“強氧化原子逐層外延”技術。該技術能夠在超強氧化環境下，對材料生長過程進行原子級精準操控，使薄膜在生長過程中同時完成結構構建與充分氧化。這如同在納米世界中，逐層搭建“原子積木”，科學家可以按照預先設計好的藍圖，精確排列鑭、鐠、鎳等原子，從而構建出一系列高質量鎳基氧化物薄膜。研究人員表示，這種在極端氧化條件下實現原子級工程操控的能力，不僅為鎳基超導研究提供了獨特的實驗平臺，也為破解多類氧化物材料的缺氧難題提供了新的解決思路。
憑借這一技術，團隊先將此前發現的純雙層結構鎳基薄膜的常壓超導起始溫度從45開爾文提升到63開爾文；隨后，又按人工設計的原子堆疊方案，精確合成出三種全新的鎳基超結構材料，其中兩種材料，在常壓下實現了高溫超導，起始轉變溫度分別達到50開爾文和46開爾文。這意味著，研究團隊不僅提升了已知材料的性能，還進一步創制出自然界中原本不存在的新型超導材料。
“看清”超導電子的能量動量結構
為破解高溫超導難題提供關鍵鑰匙
發現新材料只是第一步，理解“為什么會超導”才是更關鍵的科學問題。為此，研究團隊將原子級精準結構控制與角分辨光電子能譜技術相結合，對四種不同堆疊結構的鎳基氧化物薄膜開展系統比較研究。
角分辨光電子能譜可以直接觀測材料中電子的能量和動量分布，被形象地稱為給電子運動拍“照片”的“超級相機”。研究發現，在能夠超導的幾種結構中，布里淵區頂角附近都存在一個由γ能帶形成的費米口袋；而在不超導的結構中，這一關鍵特征并不存在。
這一發現從實驗上表明了原子堆疊構型、電子能帶與超導電性之間的關聯，識別出了決定超導發生與否的“電子基因”，為揭示鎳基高溫超導的微觀機制提供了明確的實驗證據。
研究人員認為，鎳基、銅基、鐵基三類高溫超導體具有不同的電子結構特征，對它們進行系統比較研究，將有助于人類最終破解高溫超導這一重大科學難題，并為能源、信息和量子計算等未來技術發展奠定科學基礎。
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諾獎級創新成果，中國科學家，太牛！
理論創新實現突破，應用發展實驗證據。
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科技興國務實興邦
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中國科技突飛猛進。