由國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)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(tuán)隊(duì)于北京時(shí)間2月18日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》線上發(fā)表研究成果,，發(fā)現(xiàn)常壓下鎳氧化物的高溫超導(dǎo)電性,，并觀測到“零電阻”和“完全抗磁性”雙重特征。這是我國科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域作出的一項(xiàng)突破性科學(xué)成果,，這一發(fā)現(xiàn)為破解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了全新突破口,。
簡單來說，超導(dǎo)好比電力高速公路上的“零能耗跑車”,，電流通過時(shí)完全沒有損耗,，被廣泛認(rèn)為具有顛覆性的技術(shù)前景,。目前,，超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)療,、電力、能源,、交通,、信息、量子計(jì)算,、精密測量等方面,。例如，地月距離高精度測量用的超導(dǎo)單光子探測技術(shù),，量子計(jì)算用的超導(dǎo)量子比特以及醫(yī)院里常見的核磁共振成像儀等,。
自1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，尋找更高溫度的超導(dǎo)材料就成為國際科學(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（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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破了“麥克米蘭極限”，被稱為高溫超導(dǎo)體,。本次發(fā)現(xiàn)使鎳基材料成為繼銅基,、鐵基材料之后，第三類在常壓下突破“麥克米蘭極限”的高溫超導(dǎo)材料體系,。
2023年,，我國科學(xué)家在高壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了鎳基材料的液氮溫區(qū)超導(dǎo)，在國際上引發(fā)關(guān)注,。但高溫超導(dǎo)機(jī)理仍未破解,，如何擺脫高壓限制、實(shí)現(xiàn)常壓高溫超導(dǎo),，成為全球科學(xué)家的挑戰(zhàn)目標(biāo),。
針對這一挑戰(zhàn)，3年來,，由薛其坤院士與陳卓昱副教授率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān),，自主研發(fā)了“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)，并將之應(yīng)用于鎳基超導(dǎo)材料的開發(fā)中,。這項(xiàng)技術(shù)可以在氧化能力比傳統(tǒng)方法強(qiáng)上萬倍的條件下,，實(shí)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,。
研究團(tuán)隊(duì)在原子級平滑的基片之上,，精確排列鎳、氧等原子,，構(gòu)建出厚度僅幾納米的超薄膜,，并在極強(qiáng)的氧化環(huán)境下，通過界面工程,，實(shí)現(xiàn)了“原子鉚釘術(shù)”,，固定住了原本需要極高壓環(huán)境下才能穩(wěn)定存在的原子結(jié)構(gòu)。
薛其坤介紹,，這是氧化物薄膜外延生長技術(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，還極大地拓展了高溫超導(dǎo)等強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)與制備,。同時(shí),，這也表明，通過界面工程優(yōu)化材料設(shè)計(jì),，有望在更高的溫度實(shí)現(xiàn)鎳基超導(dǎo),。
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(guān)過程中,，科研團(tuán)隊(duì)深度聯(lián)動(dòng)粵港澳大灣區(qū)本地的高端裝備制造企業(yè)，持續(xù)探索并不斷優(yōu)化“科研牽引—聯(lián)合開發(fā)—迭代升級”的新型校企協(xié)同研發(fā)范式,，彰顯了跨區(qū)域科技創(chuàng)新的協(xié)同能力,。
針對超高真空、超強(qiáng)氧化環(huán)境,、原子級沉積精度,、高度自動(dòng)化等嚴(yán)苛的要求，科研團(tuán)隊(duì)組織多家國產(chǎn)設(shè)備制造企業(yè),，在技術(shù)驗(yàn)證和科研應(yīng)用的過程中反復(fù)迭代,，最終打造出全球首臺兼具超強(qiáng)氧化氛圍與原子級沉積精度的薄膜外延設(shè)備，實(shí)現(xiàn)較國際同類設(shè)備提升上萬倍的氧化效能,。
“此次研究實(shí)現(xiàn)了全鏈條自主創(chuàng)新,，基于全國產(chǎn)設(shè)備，發(fā)展了獨(dú)特的強(qiáng)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,，不僅取得了科學(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)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),?！毖ζ淅ふf。
目前，該研究已引發(fā)國際學(xué)術(shù)界高度關(guān)注,。鎳基,、銅基與鐵基三類高溫超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)相異，通過三者的對比研究,，可以深入理解高溫超導(dǎo)電子配對的核心機(jī)制，為破解高溫超導(dǎo)機(jī)理這一科學(xué)難題提供關(guān)鍵鑰匙,，為能源,、信息、醫(yī)療等領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)奠定科學(xué)基石,。
編輯：李華山
