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)合研究團隊于北京時間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)域作出的一項突破性科學(xué)成果,，這一發(fā)現(xiàn)為破解高溫超導(dǎo)機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”,，電流通過時完全沒有損耗，被廣泛認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)機理仍未破解,，如何擺脫高壓限制、實現(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),，并將之應(yīng)用于鎳基超導(dǎo)材料的開發(fā)中,。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，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。
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(gòu)建出厚度僅幾納米的超薄膜，并在極強的氧化環(huán)境下,，通過界面工程,，實現(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)等強關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的人工設(shè)計與制備,。同時，這也表明,，通過界面工程優(yōu)化材料設(shè)計,，有望在更高的溫度實現(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，科研團隊深度聯(lián)動粵港澳大灣區(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,、超強氧化環(huán)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(chǎn)設(shè)備制造企業(yè),，在技術(shù)驗證和科研應(yīng)用的過程中反復(fù)迭代，最終打造出全球首臺兼具超強氧化氛圍與原子級沉積精度的薄膜外延設(shè)備,，實現(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，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)展奠定了堅實基礎(chǔ),。”薛其坤說,。
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)電子配對的核心機制，為破解高溫超導(dǎo)機理這一科學(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,。(記者 呂紹剛,、程遠州)
編輯：周大為
