2月18日，中國(guó)科學(xué)院院士薛其坤領(lǐng)銜的南方科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱南科大）、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心與清華大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表最新研究。他們?cè)诔涵h(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，并觀測(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，為破解高溫超導(dǎo)機(jī)理的科學(xué)難題提供了全新突破口。
納米尺度上“搭原子積木”
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。自1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被發(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，即“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。
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)10萬(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)際上產(chǎn)生廣泛影響。然而，如何擺脫高壓限制、實(shí)現(xiàn)常壓高溫超導(dǎo)，仍是全球科學(xué)家競(jìng)相追逐的重要目標(biāo)。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，自2022年起，南科大校長(zhǎng)薛其坤與南科大物理系副教授陳卓昱帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，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。這就好比在納米尺度上‘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。”陳卓昱介紹。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該技術(shù)應(yīng)用于鎳基超導(dǎo)材料的開(kāi)發(fā)中，構(gòu)建出厚度僅幾納米的超薄膜，在極強(qiáng)的氧化環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了“原子鉚釘術(shù)”，固定住原本需要極高壓環(huán)境下才能穩(wěn)定存在的原子結(jié)構(gòu)。
“在此過(guò)程中，我們?cè)囼?yàn)了1000多片樣品，最后成功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，我們觀測(cè)到零電阻與抗磁性，確認(rèn)了高溫超導(dǎo)電性的存在。”陳卓昱表示，此次突破表明，通過(guò)界面工程優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，有望在更高溫度如液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)鎳基超導(dǎo)。
薛其坤表示，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。
自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)儀器
在以往的高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究中，所用設(shè)備以進(jìn)口為主，這一局面在很大程度上制約了我國(guó)高溫超導(dǎo)研究的自主性和創(chuàng)新性。
此外，高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)對(duì)于超高真空、超強(qiáng)氧化環(huán)境、原子級(jí)沉積精度以及高度自動(dòng)化等方面的要求極為嚴(yán)苛，使得研究團(tuán)隊(duì)在開(kāi)展研究時(shí)不得不依賴進(jìn)口設(shè)備。
此次研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合了多家國(guó)產(chǎn)設(shè)備制造企業(yè)，成立了由材料科學(xué)家、精密機(jī)械工程師和自動(dòng)化控制專家組成的聯(lián)合技術(shù)組，研發(fā)出全球首臺(tái)兼具超強(qiáng)氧化氛圍與原子級(jí)沉積精度的薄膜外延設(shè)備，實(shí)現(xiàn)較國(guó)際同類設(shè)備提升上萬(wàn)倍的氧化效能。
“與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)優(yōu)勢(shì)非常大，多家設(shè)備商能夠很好地合作，很多復(fù)雜的需求也能實(shí)現(xiàn)。”陳卓昱說(shuō)。在這個(gè)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)摸索出‘科研牽引—聯(lián)合開(kāi)發(fā)—迭代升級(jí)’的新型校企協(xié)同研發(fā)范式。
本地企業(yè)通過(guò)派駐技術(shù)人員與高校實(shí)驗(yàn)室建立長(zhǎng)期合作關(guān)系，能夠?qū)崟r(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障時(shí)快速完成維修或提供替代方案，最大程度支撐科研工作高效進(jìn)行。這不僅提高了設(shè)備的使用效率，還促進(jìn)了設(shè)備不斷迭代升級(jí)，達(dá)到更高的運(yùn)行水平。
平均年齡28歲，年輕力量不斷涌現(xiàn)
35歲的陳卓昱是這項(xiàng)研究成果的主要完成人。2022年，他在結(jié)束美國(guó)斯坦福大學(xué)的博士后研究工作后，回到家鄉(xiāng)深圳，加入南科大。
在薛其坤的帶領(lǐng)下，陳卓昱從零開(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，短短3年就組建起一個(gè)主要由博士后和在讀研究生組成的研究團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員平均年齡僅28歲。
鎳基超導(dǎo)研究作為當(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。在攻關(guān)的過(guò)程中，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)與合作者幾乎同時(shí)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。
“由于國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，我們組織了幾個(gè)小隊(duì)輪流做實(shí)驗(yàn)，每天跟進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、反饋、制訂計(jì)劃，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)信號(hào)后，便立刻撰寫文章。”陳卓昱表示，研究發(fā)表后引發(fā)了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。審稿人對(duì)該成果評(píng)價(jià)稱，這項(xiàng)工作是鎳基超導(dǎo)研究的一個(gè)重要突破。
“該成果在常壓下實(shí)現(xiàn)了鎳氧化物超導(dǎo)溫度達(dá)到40K以上，將促進(jìn)對(duì)鎳基超導(dǎo)體更深入、廣泛的研究，有望推動(dòng)對(duì)銅基、鐵基、鎳基3類高溫超導(dǎo)體系家族的共性機(jī)理研究。另外，該成果源于長(zhǎng)期積累的技術(shù)突破，是在強(qiáng)氧化和材料體系應(yīng)用上的創(chuàng)新，為高溫超導(dǎo)材料研究提供了新思路。”中國(guó)科學(xué)院院士陳仙輝評(píng)價(jià)說(shuō)。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z
編輯：李華山
