我國超導(dǎo)研究又有重大新突破。近日，南方科技大學(xué)、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、清華大學(xué)聯(lián)合組成的研究團(tuán)隊在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域取得一項重大突破，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，為解決高溫超導(dǎo)機(jī)理的科學(xué)難題提供了全新突破口。2月18日凌晨，該研究在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》線上發(fā)表了研究成果。

18日，南科大舉行了高溫超導(dǎo)研究重大成果新聞發(fā)布會，課題組核心成員現(xiàn)場向大家揭開了這一重大成果的面紗。

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(rèn)為具有顛覆性的技術(shù)前景。一般來說，很多材料要在零下250攝氏度以下才能實現(xiàn)超導(dǎo)，而能夠在零下233攝氏度以上實現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)就算是高溫超導(dǎo)了。超導(dǎo)現(xiàn)象自1911年被發(fā)現(xiàn)以來，尋找更高溫度的超導(dǎo)材料成為國際科學(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，也就是“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，但高溫超導(dǎo)機(jī)理復(fù)雜如同“量子迷宮”，科學(xué)家探索近40年仍未破解。

近年來，鎳基超導(dǎo)材料“異軍突起”。2019年，美國科學(xué)家首次在鎳基薄膜中觀測到超導(dǎo)電性，但其超導(dǎo)溫度較低。2023年，我國科學(xué)家在超過十萬個大氣壓的高壓環(huán)境下，實現(xiàn)了鎳基材料的液氮溫區(qū)超導(dǎo)，在國際上引起廣泛影響。然而，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)家競相追逐的目標(biāo)。

針對這一挑戰(zhàn)，三年來，由中國科學(xué)院院士，南方科技大學(xué)校長薛其坤院士與南科大物理系副教授陳卓昱率領(lǐng)的研究團(tuán)隊持續(xù)攻關(guān)，自主研發(fā)了“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)。這項技術(shù)可以在氧化能力比傳統(tǒng)方法強(qiáng)上萬倍的條件下，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，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)計與制備。

研究團(tuán)隊將這項技術(shù)應(yīng)用于鎳基超導(dǎo)材料的開發(fā)之中：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。特別是，研究團(tuán)隊在極強(qiáng)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)。他們試驗了一千多片樣品，最后成功地獲得了常壓下的超導(dǎo)電性。通過精密的電磁輸運測量，觀測到了零電阻與抗磁性，確認(rèn)了高溫超導(dǎo)電性的存在。此次突破也表明，通過界面工程優(yōu)化材料設(shè)計，很有希望在更高的溫度，例如液氮溫區(qū)實現(xiàn)鎳基超導(dǎo)。

記者發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)這一重大突破的科研團(tuán)隊高度年輕化，團(tuán)隊成員平均年齡為28歲，體現(xiàn)了以“90后”為代表的年輕科學(xué)家團(tuán)隊在技術(shù)方法上的開拓創(chuàng)新能力，凸顯了以粵港澳大灣區(qū)為代表的國產(chǎn)自主可控科研設(shè)備對前沿科研創(chuàng)新的支撐能力。據(jù)了解，團(tuán)隊負(fù)責(zé)人陳卓昱副教授僅35歲，他從小酷愛物理，以廣東省高中物理競賽第一名保送清華大學(xué)物理系，后赴美國斯坦福大學(xué)深造，一直保持對物理的熱枕。陳卓昱三年前回到家鄉(xiāng)深圳，任職南方科技大學(xué)，在薛其坤院士的領(lǐng)導(dǎo)下，從零開始組建超導(dǎo)機(jī)理實驗室，開展高溫超導(dǎo)研究。這項成果正是在他的直接率領(lǐng)下，主要由博士后和在讀研究生組成的平均年齡為28歲的研究團(tuán)隊努力攻關(guān)而取得的，展示了我國在高溫超導(dǎo)前沿領(lǐng)域的原創(chuàng)競爭能力，彰顯了跨區(qū)域科技創(chuàng)新的協(xié)同能力。

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。值得一提的是，本次中國研究團(tuán)隊全部采用國產(chǎn)儀器，發(fā)展了獨特的強(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，不僅實現(xiàn)了科學(xué)上的突破性發(fā)現(xiàn)，更為我國在超導(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)。

科研團(tuán)隊在此次攻關(guān)過程中，深度聯(lián)動本地高端裝備制造企業(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。針對超高真空、超強(qiáng)氧化環(huán)境、原子級沉積精度、高度自動化等等嚴(yán)苛的要求，科研團(tuán)隊組織多家國產(chǎn)設(shè)備制造企業(yè)，迅速組建由材料科學(xué)家、精密機(jī)械工程師和自動化控制專家組成的聯(lián)合技術(shù)組，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(qiáng)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。

薛其坤表示：“深圳是高新企業(yè)云集的創(chuàng)新性國際化城市，南科大在青年優(yōu)秀人才引進(jìn)和前沿科技研究上大有作為，顯示出深圳作為社會主義先行示范區(qū)的強(qiáng)大后勁?！?/p>

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)理這一世紀(jì)科學(xué)難題提供關(guān)鍵鑰匙。超導(dǎo)機(jī)理的突破不僅將深化人類對量子物質(zhì)行為的理解，更將為能源、信息、醫(yī)療等領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)奠定科學(xué)基石，進(jìn)一步有力推動社會生產(chǎn)力的提升和科技創(chuàng)新發(fā)展。

（圖片由南科大提供）

編輯 白珊珊 審讀 吳劍林 二審 王雯 三審 陳晨