我國科學家在鎳基高溫超導研究領域再獲重要突破。

南方科技大學量子功能材料全國重點實驗室、南方科技大學物理系、粵港澳大灣區(qū)量子科學中心、清華大學薛其坤-陳卓昱團隊，與中國科學技術大學沈大偉團隊等合作，近日在國際學術期刊《自然》發(fā)表最新研究成果：團隊在極端氧化條件下，通過人工設計原子堆疊序列，成功創(chuàng)制出兩種全新的常壓鎳基高溫超導材料；與此同時，借助角分辨光電子能譜技術，研究人員識別出與超導態(tài)密切相關的關鍵電子能帶結構，為揭示鎳基高溫超導機理提供了重要實驗依據(jù)。

像“搭積木”一樣

在原子層面設計并構造全新超導體

實現(xiàn)超導所必需的高氧化狀態(tài)，與材料穩(wěn)定生長所需要的條件彼此沖突。

針對這一難題，研究團隊自主研發(fā)出“強氧化原子逐層外延”技術。該技術能夠在超強氧化環(huán)境下，對材料生長過程進行原子級精準操控，使薄膜在生長過程中同時完成結構構建與充分氧化。這如同在納米世界中，逐層搭建“原子積木”，科學家可以按照預先設計好的藍圖，精確排列鑭、鐠、鎳等原子，從而構建出一系列高質(zhì)量鎳基氧化物薄膜。

憑借這一技術，團隊先將此前發(fā)現(xiàn)的純雙層結構鎳基薄膜的常壓超導起始溫度從45開爾文提升到63開爾文；隨后，又按人工設計的原子堆疊方案，精確合成出三種全新的鎳基超結構材料，其中兩種材料在常壓下實現(xiàn)了高溫超導，起始轉(zhuǎn)變溫度分別達到50開爾文和46開爾文。這意味著，研究團隊不僅提升了已知材料的性能，還進一步創(chuàng)制出自然界中原本不存在的新型超導材料。

“看清”超導電子的能量動量結構

為破解高溫超導難題提供關鍵鑰匙

研究團隊將原子級精準結構控制與角分辨光電子能譜技術相結合，對四種不同堆疊結構的鎳基氧化物薄膜開展系統(tǒng)比較研究。

角分辨光電子能譜可以直接觀測材料中電子的能量和動量分布。研究發(fā)現(xiàn)，在能夠超導的幾種結構中，布里淵區(qū)頂角附近都存在一個由γ能帶形成的費米口袋；而在不超導的結構中，這一關鍵特征并不存在。

這一發(fā)現(xiàn)從實驗上表明了原子堆疊構型、電子能帶與超導電性之間的關聯(lián)，識別出了決定超導發(fā)生與否的“電子基因”，為揭示鎳基高溫超導的微觀機制提供了明確的實驗證據(jù)。

量子功能材料全國重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）是本次研究的第一完成單位。該實驗室由南方科技大學牽頭，聯(lián)合上海科技大學共同組建，于2024年獲科技部批準建設。

實驗室匯聚了一支由戰(zhàn)略科學家領銜，170余人規(guī)模的高水平科研團隊。核心成員包括2位中國科學院院士及90余位國家級高層次人才，45歲以下青年科研人員占比超過70%。

目前，實驗室布局了四大優(yōu)勢研究方向：材料設計與計算、材料制備與調(diào)控、大科學裝置與材料表征、材料功能與器件。