封面新聞記者 邊雪

1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯在液氦極低溫環(huán)境下首次發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)現(xiàn)象，開啟了人類對零電阻材料的探索。

此后的百年間，科學(xué)家們不斷刷新超導(dǎo)臨界溫度（Tc）的紀(jì)錄：1986年銅氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將Tc提升至液氮溫區(qū)（77K），2008年突破“麥克米蘭極限”——傳統(tǒng)BCS理論預(yù)測40K的鐵基超導(dǎo)體的出現(xiàn)再次引發(fā)熱潮。2019年鎳基氧化物超導(dǎo)的出現(xiàn)，又使高溫超導(dǎo)材料家族增加了一個(gè)新成員。由于需要10多萬大氣壓的高壓條件，使它的研究和應(yīng)用受到了限制。

2月18日，南方科技大學(xué)薛其坤院士團(tuán)隊(duì)宣布最新科研突破：他們在常壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了鎳氧化物薄膜超過“麥克米蘭極限”（40K以上）的超導(dǎo)電性，使鎳基材料成為常壓下繼銅基、鐵基之后的第三類高溫超導(dǎo)體系。

這項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的突破性研究，不僅刷新了超導(dǎo)材料家族圖譜，更是在鎳基體系中驗(yàn)證了高溫超導(dǎo)的普適性，為破解高溫超導(dǎo)機(jī)理這一“凝聚態(tài)物理圣杯”提供了關(guān)鍵拼圖。

這項(xiàng)跨越世紀(jì)的科學(xué)長征中，中國科學(xué)家正從跟跑者轉(zhuǎn)變?yōu)轭I(lǐng)航者。正如諾貝爾物理學(xué)獎得主安東尼·萊格特所言：“誰解開高溫超導(dǎo)之謎，誰就掌握了21世紀(jì)能源革命的鑰匙。”此刻，這把鑰匙已初現(xiàn)東方。

2月19日，封面新聞記者專訪了薛其坤院士及研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要成員。采訪中，薛其坤院士透露了團(tuán)隊(duì)的三步走規(guī)劃：“進(jìn)一步提高材料質(zhì)量，探索新的異質(zhì)結(jié)體系，探索研究銅、鐵、鎳體系在超導(dǎo)機(jī)理上可能的統(tǒng)一模型，探索基于薄膜材料的電子學(xué)應(yīng)用?！?

這項(xiàng)源自中國實(shí)驗(yàn)室的原始創(chuàng)新，正在為人類打開一扇通往超導(dǎo)新時(shí)代的大門。

原子級工程：強(qiáng)氧化外延技術(shù)突破材料桎梏

“就像在颶風(fēng)中搭建樂高積木。”團(tuán)隊(duì)核心成員陳卓昱副教授如此形容研究的技術(shù)挑戰(zhàn)。鎳超導(dǎo)氧化物在常壓下會因晶格畸變導(dǎo)致電子態(tài)失穩(wěn)，傳統(tǒng)制備方法始終無法獲得純凈的晶體結(jié)構(gòu)。

陳卓昱告訴封面新聞記者，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)三年攻關(guān)，自主研發(fā)出“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)，通過構(gòu)建常規(guī)條件一萬倍的局部超強(qiáng)氧化環(huán)境，在原子級平整的鈦酸鍶基片上實(shí)現(xiàn)鎳、氧等原子的精確堆砌。

該技術(shù)突破三大技術(shù)瓶頸：采用分子束外延結(jié)合脈沖激光沉積，在納米尺度精確調(diào)控每層原子的化學(xué)計(jì)量比；創(chuàng)新性引入“原子鉚釘”界面工程，利用基片與薄膜的晶格應(yīng)力固定亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)；開發(fā)原位同步輻射表征系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測薄膜生長過程的電子結(jié)構(gòu)演變。最終制備出厚度僅3.2納米、表面粗糙度小于0.1納米的單晶薄膜，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比傳統(tǒng)方法提升兩個(gè)數(shù)量級。

電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的新認(rèn)知

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該鎳氧化物在常壓下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)45K，且具備典型高溫超導(dǎo)體的特征：相圖中存在贗能隙區(qū)、超導(dǎo)態(tài)伴隨反鐵磁漲落等。這些現(xiàn)象強(qiáng)烈暗示，其超導(dǎo)機(jī)制可能與銅基材料共享某種普適的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理機(jī)制。

“鎳與銅同處元素周期表相鄰位置，但鎳的3d軌道多一個(gè)電子，這為研究電子填充數(shù)對超導(dǎo)的影響提供了絕佳對照樣本?！?陳卓昱副教授解釋道，研究團(tuán)隊(duì)通過角分辨光電子能譜（ARPES）發(fā)現(xiàn)，鎳氧化物中存在著與銅基超導(dǎo)體相似的費(fèi)米面嵌套現(xiàn)象，且超導(dǎo)態(tài)出現(xiàn)時(shí)伴隨電荷密度波漲落的抑制?！斑@些發(fā)現(xiàn)為統(tǒng)一銅、鐵、鎳三大高溫超導(dǎo)體系的理論模型提供了實(shí)驗(yàn)支點(diǎn)。”

從量子計(jì)算到能源網(wǎng)絡(luò)的未來圖景

此次突破帶來的不僅是科學(xué)認(rèn)知的革新，更孕育著顛覆性技術(shù)變革。鎳基材料相比銅基體系具有以下潛在優(yōu)勢。

首先，全球鎳礦年產(chǎn)量超300萬噸，原料儲量豐富。其次，鎳基材料機(jī)械強(qiáng)度高，可加工成柔性超導(dǎo)帶材。

此外，鎳基材料化學(xué)穩(wěn)定性好，無需復(fù)雜封裝即可在空氣中長期保存。南科大團(tuán)隊(duì)表示，正與華為2012實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)基于該材料的低損耗微波器件，有望降低5G基站的能耗。