我國(guó)科學(xué)家在鎳基高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域再獲重要突破。

南方科技大學(xué)量子功能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南方科技大學(xué)物理系、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、清華大學(xué)薛其坤-陳卓昱團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈大偉團(tuán)隊(duì)等合作，近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表最新研究成果：團(tuán)隊(duì)在極端氧化條件下，通過(guò)人工設(shè)計(jì)原子堆疊序列，成功創(chuàng)制出兩種全新的常壓鎳基高溫超導(dǎo)材料；與此同時(shí)，借助角分辨光電子能譜技術(shù)，研究人員識(shí)別出與超導(dǎo)態(tài)密切相關(guān)的關(guān)鍵電子能帶結(jié)構(gòu)，為揭示鎳基高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

像“搭積木”一樣

在原子層面設(shè)計(jì)并構(gòu)造全新超導(dǎo)體

實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)所必需的高氧化狀態(tài)，與材料穩(wěn)定生長(zhǎng)所需要的條件彼此沖突。

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)。該技術(shù)能夠在超強(qiáng)氧化環(huán)境下，對(duì)材料生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行原子級(jí)精準(zhǔn)操控，使薄膜在生長(zhǎng)過(guò)程中同時(shí)完成結(jié)構(gòu)構(gòu)建與充分氧化。這如同在納米世界中，逐層搭建“原子積木”，科學(xué)家可以按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的藍(lán)圖，精確排列鑭、鐠、鎳等原子，從而構(gòu)建出一系列高質(zhì)量鎳基氧化物薄膜。

憑借這一技術(shù)，團(tuán)隊(duì)先將此前發(fā)現(xiàn)的純雙層結(jié)構(gòu)鎳基薄膜的常壓超導(dǎo)起始溫度從45開爾文提升到63開爾文；隨后，又按人工設(shè)計(jì)的原子堆疊方案，精確合成出三種全新的鎳基超結(jié)構(gòu)材料，其中兩種材料在常壓下實(shí)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)，起始轉(zhuǎn)變溫度分別達(dá)到50開爾文和46開爾文。這意味著，研究團(tuán)隊(duì)不僅提升了已知材料的性能，還進(jìn)一步創(chuàng)制出自然界中原本不存在的新型超導(dǎo)材料。

“看清”超導(dǎo)電子的能量動(dòng)量結(jié)構(gòu)

為破解高溫超導(dǎo)難題提供關(guān)鍵鑰匙

研究團(tuán)隊(duì)將原子級(jí)精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)控制與角分辨光電子能譜技術(shù)相結(jié)合，對(duì)四種不同堆疊結(jié)構(gòu)的鎳基氧化物薄膜開展系統(tǒng)比較研究。

角分辨光電子能譜可以直接觀測(cè)材料中電子的能量和動(dòng)量分布。研究發(fā)現(xiàn)，在能夠超導(dǎo)的幾種結(jié)構(gòu)中，布里淵區(qū)頂角附近都存在一個(gè)由γ能帶形成的費(fèi)米口袋；而在不超導(dǎo)的結(jié)構(gòu)中，這一關(guān)鍵特征并不存在。

這一發(fā)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)上表明了原子堆疊構(gòu)型、電子能帶與超導(dǎo)電性之間的關(guān)聯(lián)，識(shí)別出了決定超導(dǎo)發(fā)生與否的“電子基因”，為揭示鎳基高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)制提供了明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

量子功能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)室”）是本次研究的第一完成單位。該實(shí)驗(yàn)室由南方科技大學(xué)牽頭，聯(lián)合上?？萍即髮W(xué)共同組建，于2024年獲科技部批準(zhǔn)建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)室匯聚了一支由戰(zhàn)略科學(xué)家領(lǐng)銜，170余人規(guī)模的高水平科研團(tuán)隊(duì)。核心成員包括2位中國(guó)科學(xué)院院士及90余位國(guó)家級(jí)高層次人才，45歲以下青年科研人員占比超過(guò)70%。

目前，實(shí)驗(yàn)室布局了四大優(yōu)勢(shì)研究方向：材料設(shè)計(jì)與計(jì)算、材料制備與調(diào)控、大科學(xué)裝置與材料表征、材料功能與器件。