“原子積木術”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域取得重大突破

超導，這一神奇的物理現象，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，完全不會產生損耗，正因如此，它被廣泛視為具有顛覆性技術前景的關鍵領域。

今天，南方科技大學舉行高溫超導研究重大成果發布會。由南方科技大學、粵港澳大灣區量子科學中心、清華大學聯合組成的研究團隊，在高溫超導領域取得一項重大突破。該突破發現，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。相關研究成果發表在《自然》雜志上。

納米尺“搭積木”，搭出超導材料新未來

超導現象自1911年被發現以來，尋找更高溫度的超導材料就成為國際科學界的“圣杯”。傳統超導體的超導轉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境下，實現了鎳基材料的液氮溫區超導，在國際上引起廣泛影響。然而，如何擺脫高壓限制、實現常壓高溫超導，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現，讓鎳基材料在日常壓力環境中，并且在零下233攝氏度以上就能實現超導。

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，高達十幾萬個大氣壓，基本上相當于地球內部的壓力。我們現在可以把原本在高壓下才能穩定的原子結構，移植到常壓條件下，在常壓下實現鎳基材料的高溫超導”。

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

研究團隊將這項技術，應用于鎳基超導材料的開發之中，在原子級平滑的基片之上，精確排列鎳、氧等原子，構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境下，通過薄膜和基片之間的界面工程，實現了“原子鉚釘術”，固定住了原本需要在極高壓環境下才能穩定存在的原子結構，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的實驗證據鏈。此次突破也表明，通過界面工程優化材料設計，未來在常壓下實現液氮溫區的鎳基超導，已具備現實路徑。

“90 后”帶隊，超導“謎局”的青春解碼

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

此次發現，正是在有組織科研的模式下，經過南科大、粵港澳大灣區量子科學中心、清華大學三個單位的大團隊異地協作，堅持不懈科研攻堅所取得的成果。值得欣喜的是，實現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年前回到家鄉深圳，任職南科大，在薛其坤的領導下，從零開始組建超導機理實驗室，帶領平均年齡僅28歲的研究團隊，攻克了一系列科學和技術難關。

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域的原創競爭能力，彰顯了跨區域科技創新的協同能力，體現了以“90后”為代表的年輕科學家團隊，在技術方法上的開拓創新能力。

大灣區產學研“共舞”，助力超導關鍵突破

南科大等在高溫超導領域獲得重大突破，團隊在常壓環境下實現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構相異，卻均可實現高溫超導，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鍵鑰匙。超導機理的突破，不僅將深化人類對量子物質行為的理解，更將為能源、信息、醫療等領域的顛覆性技術奠定科學基石，進一步有力推動社會生產力的提升和科技創新發展。

作為產生此次成果的關鍵技術“強氧化原子逐層外延”，其誕生與粵港澳大灣區獨特的產學研生態密不可分，體現出大灣區在科技創新和產學研深度融合方面的獨特優勢。

在此次攻關過程中，科研團隊深度聯動本地高端裝備制造企業，持續探索并不斷優化“科研牽引—聯合開發—迭代升級”的新型校企協同研發范式。針對超高真空、超強氧化環境、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設備制造企業，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合技術組，在技術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，大灣區產業鏈的快速響應與協同攻關能力，成為此次南科大聯合科研團隊取得突破的重要因素。本地企業通過派駐技術人員與高校實驗室建立長期合作關系，能夠實時掌握設備運行狀態，并在出現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。

“團隊全部采用國產儀器，發展了獨特的強氧化能力薄膜生長技術，成功獲得了晶體質量更高的薄膜材料，不僅實現了科學上的突破性發現，更為我國在超導乃至量子材料領域的長期自主發展奠定了堅實基礎。”薛其坤表示，“這是我們國家自主發展實驗技術的一個重大創新。團隊將進一步用獨特的實驗技術，繼續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-中國教育新聞網通訊員 陳婉兒 謝鈺然 楊曼潮 記者 劉盾）