常压下镍氧化物具高温超导电性

本报深圳2月18日电 （记者吕绍刚、程远州）由国家最高科学技术奖获得者薛其坤院士领衔的南方科技大学、粤港澳大湾区量子科学中心与清华大学联合研究团队于北京时间2月18日在国际学术期刊《自然》线上发表研究成果，发现常压下镍氧化物的高温超导电性，并观测到“零电阻”和“完全抗磁性”双重特征。这是我国科学家在高温超导领域作出的一项突破性科学成果，这一发现为破解高温超导机理提供了全新突破口。

简单来说，超导好比电力高速公路上的“零能耗跑车”，电流通过时完全没有损耗，被广泛认为具有颠覆性的技术前景。目前，超导材料已应用于医疗、电力、能源、交通、信息、量子计算、精密测量等方面。例如，地月距离高精度测量用的超导单光子探测技术，量子计算用的超导量子比特以及医院里常见的核磁共振成像仪等。

自1911年超导现象被发现以来，寻找更高温度的超导材料就成为国际科学界的一个重要研究方向。传统超导体的超导最高转变温度为40K（开尔文），约为零下233摄氏度，即“麦克米兰极限”。此前，铜基和铁基两类材料的超导转变温度突破了“麦克米兰极限”，被称为高温超导体。本次发现使镍基材料成为继铜基、铁基材料之后，第三类在常压下突破“麦克米兰极限”的高温超导材料体系。

2023年，我国科学家在高压环境下实现了镍基材料的液氮温区超导，在国际上引发关注。但高温超导机理仍未破解，如何摆脱高压限制、实现常压高温超导，成为全球科学家的挑战目标。

针对这一挑战，3年来，由薛其坤院士与陈卓昱副教授率领的研究团队持续攻关，自主研发了“强氧化原子逐层外延”技术，并将之应用于镍基超导材料的开发中。这项技术可以在氧化能力比传统方法强上万倍的条件下，实现原子层的逐层生长，并精确控制化学配比，如同在纳米尺度上“搭原子积木”，构建出结构复杂、热力学亚稳，但晶体质量趋于完美的氧化物薄膜。

研究团队在原子级平滑的基片之上，精确排列镍、氧等原子，构建出厚度仅几纳米的超薄膜，并在极强的氧化环境下，通过界面工程，实现了“原子铆钉术”，固定住了原本需要极高压环境下才能稳定存在的原子结构。

薛其坤介绍，这是氧化物薄膜外延生长技术的一次重大跨越，不仅为包括宽禁带半导体等各类氧化物的缺氧难题提供了解决方案，还极大地拓展了高温超导等强关联电子系统的人工设计与制备。同时，这也表明，通过界面工程优化材料设计，有望在更高的温度实现镍基超导。

值得注意的是，本次成果是在新型有组织科研的模式下取得的。在攻关过程中，科研团队深度联动粤港澳大湾区本地的高端装备制造企业，持续探索并不断优化“科研牵引—联合开发—迭代升级”的新型校企协同研发范式，彰显了跨区域科技创新的协同能力。

针对超高真空、超强氧化环境、原子级沉积精度、高度自动化等严苛的要求，科研团队组织多家国产设备制造企业，在技术验证和科研应用的过程中反复迭代，最终打造出全球首台兼具超强氧化氛围与原子级沉积精度的薄膜外延设备，实现较国际同类设备提升上万倍的氧化效能。

“此次研究实现了全链条自主创新，基于全国产设备，发展了独特的强氧化能力薄膜生长技术，成功获得了晶体质量更高的薄膜材料，不仅取得了科学上的突破性发现，也为我国在超导乃至量子材料领域的长期自主发展奠定了坚实基础。”薛其坤说。

目前，该研究已引发国际学术界高度关注。镍基、铜基与铁基三类高温超导体电子结构相异，通过三者的对比研究，可以深入理解高温超导电子配对的核心机制，为破解高温超导机理这一科学难题提供关键钥匙，为能源、信息、医疗等领域的颠覆性技术奠定科学基石。