繼銅基、鐵基材料之后，常壓下高溫超導(dǎo)材料家族再添一員。由國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者薛其坤院士領(lǐng)銜的南方科技大學(xué)、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心與清華大學(xué)聯(lián)合研究團隊，發(fā)現(xiàn)常壓下鎳氧化物的高溫超導(dǎo)電性，為高溫超導(dǎo)機理研究提供了新的“拼圖”。相關(guān)科技成果日前發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
新華社記者近日專訪了薛其坤院士，聽他講述科研團隊挺進科學(xué)無人區(qū)的故事。
攻克“盲人摸象”問題
自1911年科學(xué)家觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象以來，這一領(lǐng)域一直是物理學(xué)領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的研究課題之一。高溫超導(dǎo)機理復(fù)雜如同“量子迷宮”，科學(xué)家探索近40年仍未破解。過去涌現(xiàn)出諸多杰出科研成果，但部分領(lǐng)域仍被專業(yè)人士認(rèn)為處于“盲人摸象”階段。
首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)、首次發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)界面高溫超導(dǎo)電性，在常壓環(huán)境下實現(xiàn)了鎳氧化物材料的高溫超導(dǎo)電性……薛其坤用一個個重量級科學(xué)發(fā)現(xiàn)，助力中國量子科學(xué)研究躋身世界第一梯隊。
在此次研究中，薛其坤團隊持續(xù)攻關(guān)，自主研發(fā)了“強氧化原子逐層外延”技術(shù)。這項技術(shù)可以在氧化能力比傳統(tǒng)方法強上萬倍的條件下，依然實現(xiàn)原子層的逐層生長，并精確控制化學(xué)配比，如同在納米尺度上“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。
除了科學(xué)發(fā)現(xiàn)，本次研究最重要的突破是搭建技術(shù)平臺。“團隊發(fā)展了獨特的強氧化能力薄膜生長技術(shù)，成功獲得了晶體質(zhì)量更高的薄膜材料。這不僅實現(xiàn)了科學(xué)上的突破性發(fā)現(xiàn)，也為我國在超導(dǎo)乃至量子材料領(lǐng)域的長期自主發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)，希望攻克在這個領(lǐng)域研究中盲人摸象的問題，從更高、更全面的站位開展探索。”薛其坤說。
全球率先公布鎳基材料超導(dǎo)完整實驗證據(jù)
鎳基超導(dǎo)研究是當(dāng)前國際科學(xué)界的前沿?zé)狳c，全球競爭異常激烈。美國斯坦福大學(xué)的研究團隊與合作者幾乎同時也報告了類似材料體系中的常壓超導(dǎo)電性。
斯坦福團隊于2024年12月19日在《自然》線上發(fā)表論文，報道了超導(dǎo)電性的跡象；南科大團隊2024年11月16日向《自然》雜志投稿，2024年12月21日在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv提交研究成果，并率先公布了鎳基材料超導(dǎo)完整實驗證據(jù)，引發(fā)學(xué)術(shù)界巨大反響。
在并跑同步撞線過程中，斯坦福大學(xué)團隊采用的是脈沖激光沉積技術(shù)，南方科技大學(xué)團隊采用的是強氧化原子逐層外延技術(shù)。中美團隊研究路徑獨立，實驗相互印證。
中國科學(xué)院院士、浙江大學(xué)物理學(xué)院院長林海青認(rèn)為，中國科學(xué)家此次在常壓下獲得的第三類高溫超導(dǎo)材料具有非常重大的創(chuàng)新意義，是高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的一個重要突破。
相較于其他團隊采用的傳統(tǒng)技術(shù)路徑，南科大團隊選擇的強氧化原子逐層外延技術(shù)路徑也體現(xiàn)了中國科研實力。這種技術(shù)特點是氧化反應(yīng)強烈，但可實現(xiàn)鎳氧化物精準(zhǔn)可控。
研究團隊研制出一種在極強的氧化環(huán)境下能實現(xiàn)在納米尺度上“搭原子積木”的技術(shù)，制備出這種常壓下實現(xiàn)超導(dǎo)的鎳氧化物薄膜。如同火山噴薄而出，科學(xué)家要在火山口上“繡花”。“在氧化能力比傳統(tǒng)方法強上萬倍的條件下，依然實現(xiàn)原子層的逐層生長，并精確控制化學(xué)配比，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，實現(xiàn)氧化物薄膜外延生長技術(shù)的一次重大跨越。”薛其坤說。
擴容常壓高溫超導(dǎo)“俱樂部”
高溫超導(dǎo)材料家族有三個主要成員：銅基、鐵基和鎳基。本次研究突破，正式讓鎳基材料進入常壓下突破40K“麥克米蘭極限”的高溫超導(dǎo)材料“俱樂部”，為解決高溫超導(dǎo)機理的科學(xué)難題提供了全新突破口，為高溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用開拓了想象空間。
在本次科學(xué)研究突破中，人才是關(guān)鍵。此次發(fā)現(xiàn)，正是在新型有組織科研的模式下，經(jīng)過南科大、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、清華大學(xué)三個單位，大團隊異地協(xié)作，堅持不懈科研攻堅所取得的成果。
實現(xiàn)這一重大突破的科研團隊高度年輕化。團隊平均年齡28歲，負責(zé)人陳卓昱副教授年僅35歲。
薛其坤表示：“很多重大的科技突破都是在年輕人身上發(fā)現(xiàn)，他們有一個共性，就是瞄準(zhǔn)了一件事情，能夠堅持不懈地去探索去努力，從實驗室慢慢研發(fā)到實現(xiàn)突破，我覺得這對整個社會、對整個科技界、對年輕人一代，都是有很大啟示作用的。”
展望未來，薛其坤充滿信心，“中國必將在全球新一輪信息技術(shù)革命中貢獻重要力量。”
編輯：李華山
