KIK 2025-02-19 18:41 北京
近日，南方科技大学物理系及量子科学卓越创新中心薛其坤院士团队在高温超导研究领域取得重大突破。
近日，南方科技大学物理系及量子科学卓越创新中心薛其坤院士团队在高温超导研究领域取得重大突破。他们采用创新的薄膜生长技术，首次在常压条件下实现了镍基双层氧化物的超导转变温度达到 45 开尔文（约 -228℃），成功突破了传统 BCS 理论预言的 40 开尔文麦克米兰极限。这一重要成果于 2 月 17 日发表在 Nature 杂志上，为探索新型高温超导材料开辟了新的方向。
图丨相关论文（来源：Nature）
超导现象自 1911 年首次发现以来，一直是凝聚态物理领域最受关注的研究课题之一。当材料进入超导态后，电阻会降为零，表现出完美的导电性。这种独特的物理特性使超导体在能源传输、医疗影像、量子计算等领域具有广阔的应用前景。然而，早期发现的超导体都需要在极低温度下（通常接近绝对零度）才能实现超导，这极大地限制了它们的实际应用。
图丨超导现象的发现者海克·卡末林·昂内斯（来源：WikiPedia）
物理学家们很快意识到，提高超导转变温度是实现实用化的关键，但这个目标并非易事。根据传统超导理论（BCS 理论），在常规超导体中，电子是通过晶格振动（声子）的媒介形成库珀对，从而实现超导态。1968 年，麦克米兰通过理论计算发现，这种机制下超导转变温度存在一个理论上限，约为 40 开尔文（-233℃）。这个限制源于电声耦合强度的天然约束：如果电子和晶格的相互作用太强，晶格会变得不稳定；如果相互作用太弱，则无法形成稳定的库珀对。这就像是在跷跷板上寻找平衡点，决定了常规超导体的最高可能转变温度。
1986 年，科学家在铜氧化物中发现了突破麦克米兰极限的高温超导现象，掀开了超导研究的新篇章。这类材料被称为铜基超导体，其超导转变温度可以超过液氮温度（77 开尔文），远高于此前发现的任何超导材料。然而，铜基超导体的物理机制十分复杂，涉及强关联电子系统的量子效应，至今仍未完全破解。这促使科学家们不断探索新的超导材料体系，以期在理解超导机理和提高临界温度方面取得突破。
2023 年，中山大学王猛教授团队在镍基氧化物研究中取得重大突破。他们发现在高压条件下，镍基氧化物 La3Ni2O7 可以在 80 开尔文下实现超导态。这一发现立即引发了国际学术界的广泛关注，因为镍基氧化物在结构上与铜基超导体相似，但电子态具有独特的特征。随后，包括复旦大学在内的多个课题组在这一新型超导体系的实验和理论研究方面取得了一系列重要进展。特别是在材料的制备、表征和电子结构研究等方面获得了深入认识。
图丨王猛团队相关论文（来源：Nature）
然而，此前发现的镍基超导体都需要在高压环境（通常超过 14 万个大气压）下才能实现超导。这一苛刻的条件不仅增加了实验研究的难度，更重要的是严重制约了这类材料在实际应用中的前景。此外，高压下制备的样品往往存在多相共存的问题，这使得确定真正负责超导的晶相结构变得困难，也影响了对其物理性质的深入研究。
在这样的背景下，能否在常压条件下实现镍基氧化物的高温超导，成为了这一领域最受关注的科学问题之一。这不仅关系到新型超导材料的实用化前景，也将为理解高温超导机理提供重要的实验依据。
薛其坤团队成功突破这一科学难题的关键在于创新性地运用了“巨型氧化原子层外延”（GOALL-Epitaxy）技术。这是一种精确控制的薄膜生长方法，通过在强臭氧氧化环境下交替使用不同的激光靶材，可以实现原子层级的精确生长。在具体实验中，研究团队在 SrLaAlO4 衬底上生长了 3 个晶胞厚度的 La2.85Pr0.15Ni2O7 纯相单晶薄膜。
（来源：Nature）
这种生长方法的独特之处在于其精确的化学计量比控制。研究人员通过精心设计的生长序列，实现了 La0.95Pr0.05O-NiO2-La0.95Pr0.05O-NiO2-La0.95Pr0.05O 的周期性堆叠。每个周期对应半个晶胞结构，通过反射高能电子衍射技术实时监测生长过程，确保了外延应变在 3 个晶胞厚度内的连贯性。值得注意的是，他们将化学计量比的精确度控制在了 1% 以内，这对于保证材料性能至关重要。
在材料制备方面，研究团队发现后退火处理对实现最佳超导性能起着关键作用。他们在 575℃下，在 15 帕的纯化臭氧环境中对样品进行了 30 分钟的退火处理。这一过程不仅优化了材料的氧化程度，也确保了超导相的稳定性。实验结果表明，这种方法制备的样品在 45 开尔文时开始出现超导转变，并在 9 开尔文时展现出了类似 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）的相变行为。
（来源：Nature）
在物性表征方面，研究人员通过扫描透射电子显微镜和 X 射线衍射等技术手段，详细研究了材料的微观结构。结果显示，薄膜中没有检测到杂相，而且在界面处形成了特殊的 AlO2 双层结构，这为外延生长提供了良好的模板。特别值得一提的是，他们观察到了锶离子从衬底向薄膜第一个晶胞的扩散现象，这可能对超导性能的实现起到了重要作用。
这项研究的重要性体现在多个方面。首先，这是首次在常压条件下实现了超过麦克米兰极限的镍基高温超导体，为新型超导材料的研究开辟了新途径。其次，研究团队开发的 GOALL-Epitaxy 技术为制备高质量复杂氧化物薄膜提供了新方法，这对于研究强关联电子体系具有普遍意义。
更重要的是，这项工作为深入研究镍基超导体的物理机制创造了有利条件。在常压环境下，科研人员可以更方便地采用各种实验手段来探测电子结构和超导机理。这些研究有望帮助揭示高温超导的本质，并为实现更高温度的超导体提供指导。
正如团队所指出的，这项工作为在常压下实现液氮温度（77 开尔文）以上的镍基超导体奠定了基础。考虑到镍基超导体独特的电子结构特征，未来有望通过应变工程等手段进一步提高其超导转变温度。这将为超导材料在能源、医疗等领域的实际应用带来新的可能。
参考资料：
1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-08755-z
2.https://www.nature.com/articles/s41586-023-06408-7
3.https://www.zhihu.com/question/12586281487?utm_psn=1875469170331758593
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