高溫超導機理是凝聚態物理領域的“世紀難題”。近日，中國科學技術大學何俊峰教授研究組與南方科技大學薛其坤院士、陳卓昱副教授研究組合作，在新型鎳基高溫超導的機理研究中取得重大突破：首次在Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物高溫超導薄膜中直接觀測到無節點超導能隙并發現電子-玻色子耦合，為鎳基高溫超導機制的兩個核心問題“超導能隙對稱性”和“超導配對機制”提供了關鍵實驗證據。相關成果發表于國際頂級學術期刊《科學》（Science）雜志。

超導現象自1911年被發現以來，因其極限電磁性能，成為國際科學界的一個重要研究方向。傳統超導體的超導轉變溫度非常低，極大地限制其應用場景。因此，探索高溫超導材料、理解高溫超導機理成為國際超導研究的關鍵科學問題。超導發現之后的一個世紀，銅基和鐵基兩類高溫超導材料被發現；然而，由于高溫超導機理復雜，經過幾十年的探索仍未破解。近期，鎳基高溫超導的出現，為理解高溫超導機理提供了新的機遇。因此，率先獲得鎳基高溫超導機制的關鍵實驗證據成為全球科學家的最新競技場。

新技術的突破：在前期研究中，南方科技大學薛其坤院士、陳卓昱副教授研究組在鎳氧化物薄膜中實現了常壓高溫超導（Nature 640, 641–646 (2025)），為探測鎳基高溫超導電子結構提供了重要的材料窗口。在本項目研究中，中國科大與南方科大研究團隊緊密合作。南方科大團隊負責優化高溫超導薄膜生長，獲得高質量樣品。針對薄膜容易丟失氧進而失去超導的技術“卡點”，中國科大團隊牽頭與南方科大團隊聯合自主研發了基于液氮的超高真空低溫淬火與樣品傳輸新技術，成功實現樣品從深圳到合肥的“超高真空全冷鏈”傳輸。最終，運用中國科大團隊研制的高分辨率激光角分辨光電子能譜成功實現對高溫超導薄膜樣品的關鍵電子結構探測，并結合上海同步輻射光源形成完備測量。此項電子結構測量結果在Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物高溫超導薄膜中揭示了“無節點超導能隙”和“電子-玻色子耦合”現象，為“超導能隙對稱性”和“超導配對機制”這兩個高溫超導核心問題的理解提供了關鍵實驗證據。

無節點超導能隙的發現：在高溫超導研究中，國際公認“超導能隙對稱性”對于高溫超導機制的理解具有里程碑意義。因此，在新型鎳基高溫超導中探索“超導能隙對稱性”成為當前國際高溫超導研究的最前沿。具體而言，超導能隙在動量空間中是否有“節點”（超導能隙大小為0的點），是揭示超導能隙對稱性的一個關鍵指標。研究團隊針對Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物 (La,Pr,Sm)3Ni2O7超導薄膜展開電子結構測量，利用高分辨率的激光角分辨光電子能譜觀測到超導準粒子相干峰，并進一步揭示超導能隙大小及其動量依賴，發現在材料整個動量空間（布里淵區）中沒有能隙節點。這一實驗結果與d波節點能隙不同，與s波（s±）超導能隙對稱性更為符合。

圖1 無節點超導能隙示意圖

電子-玻色子耦合的發現：在高溫超導中，“電子配對”是形成超導的關鍵一步。理解電子如何配對也是解決高溫超導機制的一個核心問題。理論認為，本應當相互排斥的兩個電子可能以某種玻色子為媒介（膠水），通過“電子-玻色子耦合”實現配對。研究團隊通過對Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物 (La,Pr,Sm)3Ni2O7超導薄膜電子結構測量，在電子能帶色散中發現了費米能級以下~70 meV處的能帶扭折--這是電子-玻色子耦合的典型譜學特征。通過定量分析，研究團隊確認了電子-玻色子耦合的存在。值得強調的是：類似的電子-玻色子耦合在銅基高溫超導中也存在。因此，這一現象在鎳基高溫超導中的發現展現出重要的普適性，對理解高溫超導電子配對機制提供了關鍵實驗證據。

圖2 電子-玻色子耦合的發現

中國科學技術大學為論文第一單位。在本項合作研究中，何俊峰教授負責中國科學技術大學團隊的研究工作，薛其坤院士和陳卓昱副教授負責南方科技大學團隊的研究工作。中國科學技術大學博士研究生沈建昌、繆宇、歐志鵬，南方科技大學副研究員周廣迪、助理研究員李鵬為論文共同第一作者。何俊峰教授、薛其坤院士和陳卓昱副教授為論文共同通訊作者。該研究得到科技部、教育部、基金委等項目支持。