“原子積木術(shù)”讓鎳基超導材料甩掉高壓“緊箍咒” 中國科學家在高溫超導領(lǐng)域取得重大突破

超導，這一神奇的物理現(xiàn)象，常被形象地比喻為電力高速公路上的“零能耗跑車”。當電流通過超導材料時，完全不會產(chǎn)生損耗，正因如此，它被廣泛視為具有顛覆性技術(shù)前景的關(guān)鍵領(lǐng)域。

今天，南方科技大學舉行高溫超導研究重大成果發(fā)布會。由南方科技大學、粵港澳大灣區(qū)量子科學中心、清華大學聯(lián)合組成的研究團隊，在高溫超導領(lǐng)域取得一項重大突破。該突破發(fā)現(xiàn)，繼銅基、鐵基之后，鎳基材料成為第三類在常壓下突破40K“麥克米蘭極限”的高溫超導材料體系，為解決高溫超導機理的科學難題提供了全新突破口。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》雜志上。

納米尺“搭積木”，搭出超導材料新未來

超導現(xiàn)象自1911年被發(fā)現(xiàn)以來，尋找更高溫度的超導材料就成為國際科學界的“圣杯”。傳統(tǒng)超導體的超導轉(zhuǎn)變溫度最高只能達到40K，也就是“麥克米蘭極限”。此前，銅基和鐵基兩類材料的超導轉(zhuǎn)變溫度突破了“麥克米蘭極限”，被稱為高溫超導體，但高溫超導機理復雜程度之高如同“量子迷宮”，科學家探索近40年仍未完全破解。

近年來，鎳基超導材料“異軍突起”。2023年，我國科學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，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，成為全球科學家競相追逐的目標。

中國科學院院士、南科大校長薛其坤團隊通過研究發(fā)現(xiàn)，讓鎳基材料在日常壓力環(huán)境中，并且在零下233攝氏度以上就能實現(xiàn)超導。

團隊核心成員、南科大物理系副教授陳卓昱表示，“本鎳基高溫超導只能在非常高的壓力下實現(xiàn)，高達十幾萬個大氣壓，基本上相當于地球內(nèi)部的壓力。我們現(xiàn)在可以把原本在高壓下才能穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，移植到常壓條件下，在常壓下實現(xiàn)鎳基材料的高溫超導”。

那么團隊是如何把高壓下才能穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，移植到常壓下的呢？3年來，薛其坤研究團隊持續(xù)攻關(guān)，在極強的氧化環(huán)境下，研制出一種能實現(xiàn)在納米尺度上“搭原子積木”的技術(shù)，制備出這種常壓下實現(xiàn)超導的鎳氧化物薄膜。

研究團隊將這項技術(shù)，應用于鎳基超導材料的開發(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，研究團隊在極強的氧化環(huán)境下，通過薄膜和基片之間的界面工程，實現(xiàn)了“原子鉚釘術(shù)”，固定住了原本需要在極高壓環(huán)境下才能穩(wěn)定存在的原子結(jié)構(gòu)，試驗了一千多片樣品，成功獲得了常壓下的超導電性。精密的電磁輸運測量同時觀測到了零電阻與抗磁性，為超導電性提供了系統(tǒng)的實驗證據(jù)鏈。此次突破也表明，通過界面工程優(yōu)化材料設計，未來在常壓下實現(xiàn)液氮溫區(qū)的鎳基超導，已具備現(xiàn)實路徑。

“90 后”帶隊，超導“謎局”的青春解碼

“學校積極引進優(yōu)秀青年人才，在基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域成果斐然。以此次高溫超導領(lǐng)域的突破為例，主要完成團隊由‘90后’領(lǐng)銜，平均年齡僅28歲，帶領(lǐng)著年輕學生攻堅克難。”作為國家最高科學技術(shù)獎獲得者，薛其坤近年來始終堅守科研一線，引領(lǐng)量子材料的前沿探索。

此次發(fā)現(xiàn)，正是在有組織科研的模式下，經(jīng)過南科大、粵港澳大灣區(qū)量子科學中心、清華大學三個單位的大團隊異地協(xié)作，堅持不懈科研攻堅所取得的成果。值得欣喜的是，實現(xiàn)這一重大突破的科研團隊高度年輕化。

團隊負責人陳卓昱僅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物理系，后赴美國斯坦福大學深造，一直保持對物理的熱忱。陳卓昱3年前回到家鄉(xiāng)深圳，任職南科大，在薛其坤的領(lǐng)導下，從零開始組建超導機理實驗室，帶領(lǐng)平均年齡僅28歲的研究團隊，攻克了一系列科學和技術(shù)難關(guān)。

在薛其坤看來，本次科研突破充分展示了我國在高溫超導前沿領(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，體現(xiàn)了以“90后”為代表的年輕科學家團隊，在技術(shù)方法上的開拓創(chuàng)新能力。

大灣區(qū)產(chǎn)學研“共舞”，助力超導關(guān)鍵突破

南科大等在高溫超導領(lǐng)域獲得重大突破，團隊在常壓環(huán)境下實現(xiàn)了鎳氧化物材料的高溫超導電性，并觀測到“零電阻”和“完全抗磁性”雙重特征。

鎳基、銅基與鐵基三類高溫超導體電子結(jié)構(gòu)相異，卻均可實現(xiàn)高溫超導，三者的對比研究，將直指高溫超導電子配對的核心機制，為破解高溫超導機理這一世紀科學難題提供關(guān)鍵鑰匙。超導機理的突破，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)奠定科學基石，進一步有力推動社會生產(chǎn)力的提升和科技創(chuàng)新發(fā)展。

作為產(chǎn)生此次成果的關(guān)鍵技術(shù)“強氧化原子逐層外延”，其誕生與粵港澳大灣區(qū)獨特的產(chǎn)學研生態(tài)密不可分，體現(xiàn)出大灣區(qū)在科技創(chuàng)新和產(chǎn)學研深度融合方面的獨特優(yōu)勢。

在此次攻關(guān)過程中，科研團隊深度聯(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、超強氧化環(huán)境、原子級沉積精度、高度自動化等嚴苛的要求，南科大科研團隊等組織多家國產(chǎn)設備制造企業(yè)，迅速組建由材料科學家、精密機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)驗證和科研應用的過程中反復迭代，率先打造出兼具超強氧化氛圍與原子級沉積精度的薄膜外延設備，實現(xiàn)較國際同類設備提升上萬倍的氧化效能。

在當前國際科技競爭日益激烈、你追我趕的背景下，大灣區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈的快速響應與協(xié)同攻關(guān)能力，成為此次南科大聯(lián)合科研團隊取得突破的重要因素。本地企業(yè)通過派駐技術(shù)人員與高校實驗室建立長期合作關(guān)系，能夠?qū)崟r掌握設備運行狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障時快速完成維修或提供替代方案，最大程度支撐科研工作的高效進行。這種伴隨式、快速響應式的服務不僅提升了設備的使用效率，還促進了設備不斷迭代升級，達到更高的運行水平。

“團隊全部采用國產(chǎn)儀器，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，不僅實現(xiàn)了科學上的突破性發(fā)現(xiàn)，更為我國在超導乃至量子材料領(lǐng)域的長期自主發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)?！毖ζ淅け硎荆斑@是我們國家自主發(fā)展實驗技術(shù)的一個重大創(chuàng)新。團隊將進一步用獨特的實驗技術(shù)，繼續(xù)探索不同的材料體系，爭取在常壓下讓它的溫度也能高于液氮”。（中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)通訊員 陳婉兒 謝鈺然 楊曼潮 記者 劉盾）