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封面新闻记者 边雪
1911年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在液氦极低温环境下首次发现汞的超导现象,开启了人类对零电阻材料的探索。
此后的百年间,科学家们不断刷新超导临界温度(Tc)的纪录:1986年铜氧化物超导体的发现将Tc提升至液氮温区(77K),2008年突破“麦克米兰极限”——传统BCS理论预测40K的铁基超导体的出现再次引发热潮。2019年镍基氧化物超导的出现,又使高温超导材料家族增加了一个新成员。由于需要10多万大气压的高压条件,使它的研究和应用受到了限制。
2月18日,南方科技大学薛其坤院士团队宣布最新科研突破:他们在常压环境下实现了镍氧化物薄膜超过“麦克米兰极限”(40K以上)的超导电性,使镍基材料成为常压下继铜基、铁基之后的第三类高温超导体系。
这项发表于《自然》杂志的突破性研究,不仅刷新了超导材料家族图谱,更是在镍基体系中验证了高温超导的普适性,为破解高温超导机理这一“凝聚态物理圣杯”提供了关键拼图。
这项跨越世纪的科学长征中,中国科学家正从跟跑者转变为领航者。正如诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特所言:“谁解开高温超导之谜,谁就掌握了21世纪能源革命的钥匙。”此刻,这把钥匙已初现东方。
2月19日,封面新闻记者专访了薛其坤院士及研发团队主要成员。采访中,薛其坤院士透露了团队的三步走规划:“进一步提高材料质量,探索新的异质结体系,探索研究铜、铁、镍体系在超导机理上可能的统一模型,探索基于薄膜材料的电子学应用。”
这项源自中国实验室的原始创新,正在为人类打开一扇通往超导新时代的大门。
原子级工程:强氧化外延技术突破材料桎梏
“就像在飓风中搭建乐高积木。”团队核心成员陈卓昱副教授如此形容研究的技术挑战。镍超导氧化物在常压下会因晶格畸变导致电子态失稳,传统制备方法始终无法获得纯净的晶体结构。
陈卓昱告诉封面新闻记者,研究团队历时三年攻关,自主研发出“强氧化原子逐层外延”技术,通过构建常规条件一万倍的局部超强氧化环境,在原子级平整的钛酸锶基片上实现镍、氧等原子的精确堆砌。
该技术突破三大技术瓶颈:采用分子束外延结合脉冲激光沉积,在纳米尺度精确调控每层原子的化学计量比;创新性引入“原子铆钉”界面工程,利用基片与薄膜的晶格应力固定亚稳态结构;开发原位同步辐射表征系统,实时监测薄膜生长过程的电子结构演变。最终制备出厚度仅3.2纳米、表面粗糙度小于0.1纳米的单晶薄膜,其结构稳定性比传统方法提升两个数量级。
电子强关联体系的新认知
实验数据显示,该镍氧化物在常压下的超导转变温度达45K,且具备典型高温超导体的特征:相图中存在赝能隙区、超导态伴随反铁磁涨落等。这些现象强烈暗示,其超导机制可能与铜基材料共享某种普适的电子强关联物理机制。
“镍与铜同处元素周期表相邻位置,但镍的3d轨道多一个电子,这为研究电子填充数对超导的影响提供了绝佳对照样本。” 陈卓昱副教授解释道,研究团队通过角分辨光电子能谱(ARPES)发现,镍氧化物中存在着与铜基超导体相似的费米面嵌套现象,且超导态出现时伴随电荷密度波涨落的抑制。“这些发现为统一铜、铁、镍三大高温超导体系的理论模型提供了实验支点。”
从量子计算到能源网络的未来图景
此次突破带来的不仅是科学认知的革新,更孕育着颠覆性技术变革。镍基材料相比铜基体系具有以下潜在优势。
首先,全球镍矿年产量超300万吨,原料储量丰富。其次,镍基材料机械强度高,可加工成柔性超导带材。
此外,镍基材料化学稳定性好,无需复杂封装即可在空气中长期保存。南科大团队表示,正与华为2012实验室合作开发基于该材料的低损耗微波器件,有望降低5G基站的能耗。
由于采用了薄膜制备技术,这非常有利于发展基于镍基超导的超导电子学器件。同时,为全面表征其物理特别是超导特性,深入研究超导机理奠定了坚实的材料基础。
据薛其坤院士介绍,本次试验中国团队全部采用国产仪器,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,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。
《自然》杂志的评审专家给出“突破性进展”的高度评价,在同行内也引起了全球的广泛关注。
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