本報(bào)深圳2月18日電 （記者呂紹剛、程遠(yuǎn)州）由國(guó)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(guó)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(cè)到“零電阻”和“完全抗磁性”雙重特征。這是我國(guó)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)好比電力高速公路上的“零能耗跑車(chē)”，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。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(cè)量等方面。例如，地月距離高精度測(cè)量用的超導(dǎo)單光子探測(cè)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(jiàn)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(lái)，尋找更高溫度的超導(dǎo)材料就成為國(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（開(kāi)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(lèi)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破了“麥克米蘭極限”，被稱(chēng)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(lèi)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(guó)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(guó)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(duì)這一挑戰(zhàn)，3年來(lái)，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(kāi)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(wàn)倍的條件下，實(shí)現(xiàn)原子層的逐層生長(zhǎng)，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(jí)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(guò)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(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(lèi)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)—迭代升級(jí)”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(duì)超高真空、超強(qiáng)氧化環(huán)境、原子級(jí)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(guó)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(guò)程中反復(fù)迭代，最終打造出全球首臺(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(lèi)設(shè)備提升上萬(wàn)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(guó)產(chǎn)設(shè)備，發(fā)展了獨(dú)特的強(qiáng)氧化能力薄膜生長(zhǎng)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(guó)在超導(dǎo)乃至量子材料領(lǐng)域的長(zhǎng)期自主發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”薛其坤說(shuō)。
目前，該研究已引發(fā)國(guó)際學(xué)術(shù)界高度關(guān)注。鎳基、銅基與鐵基三類(lèi)高溫超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)相異，通過(guò)三者的對(duì)比研究，可以深入理解高溫超導(dǎo)電子配對(duì)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。
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年02月19日 12 版）