常壓下鎳氧化物具高温超導電性

本報深圳2月18日電 （記者呂紹剛、程遠州）由國家最高科學技術獎獲得者薛其坤院士領銜的南方科技大學、粵港澳大灣區量子科學中心與清華大學聯合研究團隊於北京時間2月18日在國際學術期刊《自然》線上發表研究成果，發現常壓下鎳氧化物的高温超導電性，並觀測到“零電阻”和“完全抗磁性”雙重特徵。這是我國科學家在高温超導領域作出的一項突破性科學成果，這一發現為破解高温超導機理提供了全新突破口。

簡單來説，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前景。目前，超導材料已應用於醫療、電力、能源、交通、信息、量子計算、精密測量等方面。例如，地月距離高精度測量用的超導單光子探測技術，量子計算用的超導量子比特以及醫院裏常見的核磁共振成像儀等。

自1911年超導現象被發現以來，尋找更高温度的超導材料就成為國際科學界的一個重要研究方向。傳統超導體的超導最高轉變温度為40K（開爾文），約為零下233攝氏度，即“麥克米蘭極限”。此前，銅基和鐵基兩類材料的超導轉變温度突破了“麥克米蘭極限”，被稱為高温超導體。本次發現使鎳基材料成為繼銅基、鐵基材料之後，第三類在常壓下突破“麥克米蘭極限”的高温超導材料體系。

2023年，我國科學家在高壓環境下實現了鎳基材料的液氮温區超導，在國際上引發關注。但高温超導機理仍未破解，如何擺脱高壓限制、實現常壓高温超導，成為全球科學家的挑戰目標。

針對這一挑戰，3年來，由薛其坤院士與陳卓昱副教授率領的研究團隊持續攻關，自主研發了“強氧化原子逐層外延”技術，並將之應用於鎳基超導材料的開發中。這項技術可以在氧化能力比傳統方法強上萬倍的條件下，實現原子層的逐層生長，並精確控制化學配比，如同在納米尺度上“搭原子積木”，構建出結構複雜、熱力學亞穩，但晶體質量趨於完美的氧化物薄膜。

研究團隊在原子級平滑的基片之上，精確排列鎳、氧等原子，構建出厚度僅幾納米的超薄膜，並在極強的氧化環境下，通過界面工程，實現了“原子鉚釘術”，固定住了原本需要極高壓環境下才能穩定存在的原子結構。

薛其坤介紹，這是氧化物薄膜外延生長技術的一次重大跨越，不僅為包括寬禁帶半導體等各類氧化物的缺氧難題提供瞭解決方案，還極大地拓展了高温超導等強關聯電子系統的人工設計與製備。同時，這也表明，通過界面工程優化材料設計，有望在更高的温度實現鎳基超導。

值得注意的是，本次成果是在新型有組織科研的模式下取得的。在攻關過程中，科研團隊深度聯動粵港澳大灣區本地的高端裝備製造企業，持續探索並不斷優化“科研牽引—聯合開發—迭代升級”的新型校企協同研發範式，彰顯了跨區域科技創新的協同能力。

針對超高真空、超強氧化環境、原子級沉積精度、高度自動化等嚴苛的要求，科研團隊組織多家國產設備製造企業，在技術驗證和科研應用的過程中反覆迭代，最終打造出全球首台兼具超強氧化氛圍與原子級沉積精度的薄膜外延設備，實現較國際同類設備提升上萬倍的氧化效能。

“此次研究實現了全鏈條自主創新，基於全國產設備，發展了獨特的強氧化能力薄膜生長技術，成功獲得了晶體質量更高的薄膜材料，不僅取得了科學上的突破性發現，也為我國在超導乃至量子材料領域的長期自主發展奠定了堅實基礎。”薛其坤説。

目前，該研究已引發國際學術界高度關注。鎳基、銅基與鐵基三類高温超導體電子結構相異，通過三者的對比研究，可以深入理解高温超導電子配對的核心機制，為破解高温超導機理這一科學難題提供關鍵鑰匙，為能源、信息、醫療等領域的顛覆性技術奠定科學基石。