北京時間2月18日零時，國家最高科學技術獎獲得者薛其坤領銜的南方科技大學（簡稱“南科大”）、粵港澳大灣區量子科學中心與清華大學聯合研究團隊在《自然》上發表最新研究。研究團隊在常壓環境下實現了鎳氧化物材料的高溫超導電性，超導起始轉變溫度突破40開爾文（K），相當于零下233攝氏度，觀測到了“零電阻”和“抗磁性”的雙重特征。
這一發現使鎳基材料成為繼銅基、鐵基之后，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。
納米尺度上“搭原子積木”
超導好比電力高速公路上的“零能耗跑車”，電流通過時完全沒有損耗，被廣泛認為具有顛覆性的技術前景。自1911年超導現象被發現以來，尋找更高溫度的超導材料成為國際科學界的一個重要研究方向。
傳統超導體的超導最高轉變溫度為40K，即“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。
近年來，鎳基超導材料“異軍突起”。2019年，美國科學家首次在鎳基薄膜中觀測到超導電性，但其超導溫度較低。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，仍是全球科學家競相研究的重要目標。
針對這一挑戰，2022年起，中國科學院院士、南科大校長薛其坤與南科大物理系副教授陳卓昱帶領研究團隊，自主研發了“強氧化原子逐層外延”技術。
研究成果示意圖 南科大供圖
“這項技術可以在氧化能力比傳統方法強上萬倍的條件下，依然實現原子層的逐層生長，并精確控制化學配比，就好比在納米尺度上‘搭原子積木’，構建出結構復雜、熱力學亞穩、但晶體質量趨于完美的氧化物薄膜。”陳卓昱介紹。研究團隊進一步將該技術應用于鎳基超導材料的開發之中，構建出厚度僅幾納米的超薄膜，在極強的氧化環境下，實現了“原子鉚釘術”，固定住了原本需要極高壓環境下才能穩定存在的原子結構。
“在此過程中，我們試驗了一千多片樣品，最后成功地獲得了常壓下的超導電性。通過精密的電磁輸運測量，觀測到了零電阻與抗磁性，確認了高溫超導電性的存在。”陳卓昱表示，此次突破也表明，通過界面工程優化材料設計，很有希望在更高的溫度例如液氮溫區，實現鎳基超導。
薛其坤表示，這是氧化物薄膜外延生長技術的一次重大跨越，不僅為包括寬禁帶半導體等各類氧化物的缺氧難題提供了解決方案，還極大地拓展了高溫超導等強關聯電子系統的人工設計與制備。
自主搭建國產儀器
在以往的高溫超導實驗研究中，所用到的設備大多以進口為主，這一局面在很大程度上制約了我國高溫超導研究的自主性和創新性。
此外，高溫超導實驗對于超高真空、超強氧化環境、原子級沉積精度以及高度自動化等方面的要求極為嚴苛，導致以往的研究團隊在開展研究時，往往不得不依賴從國外進口的設備。
此次研究團隊組織了多家國產設備制造企業，組建起由材料科學家、精密機械工程師和自動化控制專家組成的聯合技術組，研發出了全球首臺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。
“與國外相比，國內的產業生態優勢非常大，多家設備商能夠很好地合作，很多復雜的需求也能實現。”陳卓昱提到。在這個過程中，研究團隊摸索出了‘科研牽引—聯合開發—迭代升級’的新型校企協同研發范式。
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，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。
平均年齡28歲，年輕力量不斷涌現
35歲的陳卓昱是這項研究成果的主要完成人。2022年，他在結束美國斯坦福大學的博士后研究工作后，便回到家鄉深圳，加入南科大。
在薛其坤院士的帶領下，在短短三年時間內，陳卓昱從零開始組建超導機理實驗室，開展高溫超導研究，逐漸組建起了一支主要由博士后和在讀研究生組成的平均年齡僅28歲的研究團隊。
研究團隊 南科大供圖
鎳基超導研究作為當前國際科學界的前沿熱點，全球競爭異常激烈。在攻關的過程中，美國斯坦福大學的研究團隊與合作者幾乎同時也報告了類似材料體系中的常壓超導電性。
“由于國際競爭非常激烈，我們組織了幾個小隊輪流做實驗，每天跟進實驗結果、反饋、制定計劃。發現超導信號后，便立刻開始撰寫文章。”陳卓昱表示，研究發布后引發了學術界的高度關注。審稿人對該成果評價道，這項工作是鎳基超導研究的一個重要突破。
“該成果在常壓下實現了鎳氧化物超導溫度達到40K以上，將促進對鎳基超導體更深入、更廣泛的研究，還有望推動對銅基、鐵基、鎳基三類高溫超導體系家族的共性機理研究。另外，該成果源于長期積累的技術突破，在強氧化和材料體系應用上的創新，為高溫超導材料研究提供新思路。”中國科學院院士陳仙輝對該成果評價道。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z
本文鏈接：平均年齡28歲，中國團隊在高溫超導領域獲新突破http://m.lensthegame.com/show-11-17599-0.html
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