2月18日，中国科学院院士薛其坤领衔的南方科技大学（以下简称南科大）、粤港澳大湾区量子科学中心与清华大学联合研究团队在《自然》发表最新研究。他们在常压环境下实现了镍氧化物材料的高温超导电性，超导起始转变温度突破40开尔文（K）——相当于零下233摄氏度，并观测到“零电阻”和“抗磁性”的双重特征。
这一发现使镍基材料成为继铜基、铁基之后，第三类在常压下突破40K“麦克米兰极限”的高温超导材料体系，为破解高温超导机理的科学难题提供了全新突破口。
薛其坤（左二）及团队成员。南科大供图
纳米尺度上“搭原子积木”
超导好比电力高速公路上的“零能耗跑车”，电流通过时完全没有损耗，被广泛认为是具有颠覆性的技术前景。自1911年超导现象被发现以来，寻找更高温度的超导材料成为国际科学界的一个重要研究方向。
传统超导体的超导最高转变温度为40K，即“麦克米兰极限”。此前，铜基和铁基两类材料的超导转变温度突破了“麦克米兰极限”，被称为高温超导体。
近年来，镍基超导材料异军突起。2019年，美国科学家首次在镍基薄膜中观测到超导电性，但其超导温度较低。2023年，我国科学家在超过10万个大气压的高压环境下，实现了镍基材料的液氮温区超导，在国际上产生广泛影响。然而，如何摆脱高压限制、实现常压高温超导，仍是全球科学家竞相追逐的重要目标。
针对这一挑战，自2022年起，南科大校长薛其坤与南科大物理系副教授陈卓昱带领研究团队，自主研发了“强氧化原子逐层外延”技术。
“这项技术可以在氧化能力比传统方法强上万倍的条件下，依然实现原子层的逐层生长，并精确控制化学配比。这就好比在纳米尺度上‘搭原子积木’，构建出结构复杂、热力学亚稳，但晶体质量趋于完美的氧化物薄膜。”陈卓昱介绍。
研究团队进一步将该技术应用于镍基超导材料的开发中，构建出厚度仅几纳米的超薄膜，在极强的氧化环境下，实现了“原子铆钉术”，固定住原本需要极高压环境下才能稳定存在的原子结构。
“在此过程中，我们试验了1000多片样品，最后成功获得了常压下的超导电性。通过精密的电磁输运测量，我们观测到零电阻与抗磁性，确认了高温超导电性的存在。”陈卓昱表示，此次突破表明，通过界面工程优化材料设计，有望在更高温度如液氮温区实现镍基超导。
薛其坤表示，这是氧化物薄膜外延生长技术的一次重大跨越，不仅为包括宽禁带半导体等各类氧化物的缺氧难题提供了解决方案，还极大拓展了高温超导等强关联电子系统的人工设计与制备。
自主研发国产仪器
在以往的高温超导实验研究中，所用设备以进口为主，这一局面在很大程度上制约了我国高温超导研究的自主性和创新性。
此外，高温超导实验对于超高真空、超强氧化环境、原子级沉积精度以及高度自动化等方面的要求极为严苛，使得研究团队在开展研究时不得不依赖进口设备。
此次研究团队联合了多家国产设备制造企业，成立了由材料科学家、精密机械工程师和自动化控制专家组成的联合技术组，研发出全球首台兼具超强氧化氛围与原子级沉积精度的薄膜外延设备，实现较国际同类设备提升上万倍的氧化效能。
“与国外相比，国内的产业生态优势非常大，多家设备商能够很好地合作，很多复杂的需求也能实现。”陈卓昱说。在这个过程中，研究团队摸索出‘科研牵引—联合开发—迭代升级’的新型校企协同研发范式。
本地企业通过派驻技术人员与高校实验室建立长期合作关系，能够实时掌握设备运行状态，并在出现故障时快速完成维修或提供替代方案，最大程度支撑科研工作高效进行。这不仅提高了设备的使用效率，还促进了设备不断迭代升级，达到更高的运行水平。
平均年龄28岁，年轻力量不断涌现
35岁的陈卓昱是这项研究成果的主要完成人。2022年，他在结束美国斯坦福大学的博士后研究工作后，回到家乡深圳，加入南科大。
在薛其坤的带领下，陈卓昱从零开始组建超导机理实验室，开展高温超导研究，短短3年就组建起一个主要由博士后和在读研究生组成的研究团队，团队成员平均年龄仅28岁。
镍基超导研究作为当前国际科学界的前沿热点，全球竞争异常激烈。在攻关的过程中，斯坦福大学的研究团队与合作者几乎同时报告了类似材料体系中的常压超导电性。中美团队研究路径独立，实验相互印证。
“由于国际竞争非常激烈，我们组织了几个小队轮流做实验，每天跟进实验结果、反馈、制订计划，发现超导信号后，便立刻撰写文章。”陈卓昱表示，研究发表后引发了学术界的高度关注。审稿人对该成果评价称，这项工作是镍基超导研究的一个重要突破。
“该成果在常压下实现了镍氧化物超导温度达到40K以上，将促进对镍基超导体更深入、广泛的研究，有望推动对铜基、铁基、镍基3类高温超导体系家族的共性机理研究。另外，该成果源于长期积累的技术突破，是在强氧化和材料体系应用上的创新，为高温超导材料研究提供了新思路。”中国科学院院士陈仙辉评价说。
（相关论文信息：，原标题为《突破极限！我国在高温超导领域获重要成果》）
还没有评论，来说两句吧...