中國(guó)高溫超導(dǎo)，再迎新突破！

南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，最新研究成果加急發(fā)表在了Nature。

不同于經(jīng)典的銅或鐵基超導(dǎo)，這項(xiàng)成果首次讓鎳基化合物突破了麥克米蘭極限（40K）。

團(tuán)隊(duì)新研發(fā)的鎳基材料超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了45K（-229℃），并且成功觀測(cè)到了“零電阻”和“抗磁性”的雙重特征。

在其背后，通過(guò)三年多的攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種新的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，克服了雙層鎳氧化物材料的固有難題。

薛其坤院士介紹，這是氧化物薄膜外延生長(zhǎng)技術(shù)的一次重大跨越。

鎳基材料突破麥克米蘭極限

在這項(xiàng)研究中，實(shí)現(xiàn)常壓高溫超導(dǎo)的材料是La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇，一種稀土元素部分替代的雙層鎳氧化物，基本材料是La₃Ni₂O₇（中山大學(xué)王猛教授團(tuán)隊(duì)2023年發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料）。

具體來(lái)說(shuō)，研究者在SrLaAlO₄襯底上外延生長(zhǎng)了3個(gè)晶胞厚的La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇超導(dǎo)薄膜。

其中La的15%被Pr取代。薄膜呈四方晶體結(jié)構(gòu)，NiO₂面內(nèi)有約2%的壓縮應(yīng)變。

（注：La=鑭，Pr=鐠，Ni=鎳，Sr=鍶，Al=鋁）

這種材料在鎳基材料當(dāng)中，首次突破了麥克米蘭極限。

1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer三人以近自由電子模型為基礎(chǔ)提出了BCS理論，從微觀上解釋了常規(guī)金屬及合金超導(dǎo)體的機(jī)制。

根據(jù)電子-聲子強(qiáng)耦合情形下的BCS理論，麥克米蘭等人基于當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一些超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)外推，提出常壓下超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度不能高于40K（-233℃），這被稱為“麥克米蘭極限”。

后來(lái)，銅基和鐵基材料均突破了麥克米蘭極限，這次的鎳基材料在常壓下的臨界溫度也達(dá)到了45K（-229℃）。

電阻率隨溫度變化曲線表明，La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇薄膜在20K（-253℃）以下，電阻率逐漸趨于零，接近BKT（Berezinskii–Kosterlitz–Thouless）相變的行為，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變起始溫度為45K。

磁學(xué)上，研究團(tuán)隊(duì)使用互感法直接觀測(cè)到La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇薄膜的邁斯納抗磁性信號(hào)，表明體系進(jìn)入真正的超導(dǎo)態(tài)。邁斯納溫度為8K，與TBKT值一致。

此外，作者對(duì)比了雙層鎳氧化物與無(wú)限層鎳氧化物和銅氧化物超導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)和電子態(tài)方面的異同。

據(jù)此，作者指出這種材料獨(dú)特的晶體場(chǎng)分裂和軌道雜化可能是導(dǎo)致高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵，為后續(xù)研究提供了參考。

在納米尺度上“搭原子積木”

不僅最終成果是一項(xiàng)重大突破，在材料的制備上，La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇也蘊(yùn)含了大量創(chuàng)新。

繼銅基和鐵基之后，鎳基超導(dǎo)材料“異軍突起”，并且之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高壓低溫超導(dǎo)，但是擺脫高壓限制依然是一大難關(guān)。

為了突破這一難題，研究團(tuán)隊(duì)使用了花三年時(shí)間自研的強(qiáng)氧化原子逐層外延（GOALL-Epitaxy）技術(shù)，被譽(yù)為是在納米尺度上“搭原子積木”。

具體到此項(xiàng)研究，這項(xiàng)技術(shù)的核心是在強(qiáng)氧化氣氛下通過(guò)激光燒蝕La_0.95Pr_0.05O_x和NiO_x陶瓷靶材，在SrLaAlO₄單晶襯底上逐原子層生長(zhǎng)出La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇超導(dǎo)薄膜。

首先，研究團(tuán)隊(duì)將預(yù)處理過(guò)的SrLaAlO₄單晶襯底的(001)取向SrLaAlO₄襯底裝入真空腔室，加熱至生長(zhǎng)溫度。

然后通入高純氧氣和臭氧，使襯底表面處于3-5Pa臭氧和7Pa氧氣背景的強(qiáng)氧化環(huán)境中。

接著用激光輪流燒蝕La_0.95Pr_0.05O_x和NiO_x靶材，按照La_0.95Pr_0.05O - NiO₂ - La_0.95Pr_0.05O - NiO₂ - La_0.95Pr_0.05O的次序逐原子層生長(zhǎng)La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇薄膜。

生長(zhǎng)過(guò)程由RHEED實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，生長(zhǎng)完成后，在臭氧氣氛中快速冷卻樣品，并退火處理以優(yōu)化薄膜質(zhì)量。

這種方法的特點(diǎn)是能夠?qū)ιL(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行原子層次的精確控制，化學(xué)計(jì)量比精確可控。

在該方法下，La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的層狀生長(zhǎng)模式，并且界面陡峭、無(wú)雜質(zhì)。

團(tuán)隊(duì)平均年齡28歲

本項(xiàng)目由南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤院士、超導(dǎo)機(jī)理實(shí)驗(yàn)室陳卓昱副教授領(lǐng)銜。

薛其坤1984年從山東大學(xué)光學(xué)系激光專業(yè)畢業(yè)，1999年9月，任中科院表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。

2005年5月起，薛其坤擔(dān)任清華大學(xué)物理系教授，11月當(dāng)選中科院院士，然后再清華一路升至院長(zhǎng)、副校長(zhǎng)，2020年到新成立的南方科技大學(xué)擔(dān)任校長(zhǎng)。

2024年，61歲的薛其坤獲得了2023年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，是該獎(jiǎng)項(xiàng)迄今為止最年輕的獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

△來(lái)源：南方科技大學(xué)官網(wǎng)，下同

整個(gè)團(tuán)隊(duì)也高度年輕化，平均年齡只有28歲，與薛其坤一起率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)的陳卓昱副教授今年也只有35歲。

2012年，陳卓昱畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，之后到斯坦福讀博，博士畢業(yè)后留校從事博士后研究。

2022年，陳卓昱加入南方科技大學(xué)，出任物理系副教授。

包括陳卓昱在內(nèi)，論文大部分作者都來(lái)自南科大超導(dǎo)機(jī)理實(shí)驗(yàn)室。

四名共同一作也都很年輕，包括博士后或在讀博士生，甚至碩士生。

• 博士后周廣迪，2022年博士畢業(yè)于中科院半導(dǎo)體研究所，2023年2月加入該實(shí)驗(yàn)室；
• 博士生呂威，2023年9月加入；
• 博士后汪恒，清華物理學(xué)博士、本科武漢大學(xué)，2023年7月加入；
• 碩士生聶子豪，本科畢業(yè)于深圳大學(xué)物理學(xué)，2023年6月加入。

其余作者中，博士生陳亞奇、博士后李月瑩、副研究員黃浩亮，也都出自該實(shí)驗(yàn)室。

此外，南科大物理系教授陳偉強(qiáng)、副教授孫煜杰也參與了這項(xiàng)研究，論文部分作者在粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心有兼職。

（注：除薛其坤、陳卓昱外，其余作者按照論文署名順序排列）

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08755-z