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中国(guo)科学家发(fa)现——
常压(ya)下镍氧化物具(ju)高(gao)温超导电性(科技自立自强)
这项研究实(shi)现了(le)全链条自主创新
《人民日报》(2025年02月19日第 12 版)
本报深圳2月18日电 (记者吕(lu)绍刚、程远(yuan)州)由国(guo)家最高(gao)科学技术奖获得者薛其坤院士领衔的南方科技大学、粤港澳大湾区量子科学中心(xin)与清华大学联合(he)研究团队于北京时间2月18日在国(guo)际学术期(qi)刊《自然(ran)》线上发(fa)表研究成(cheng)果,发(fa)现常压(ya)下镍氧化物的高(gao)温超导电性,并(bing)观测到“零电阻”和“完全抗磁(ci)性”双重特征。这是我国(guo)科学家在高(gao)温超导领域作(zuo)出的一项突破性科学成(cheng)果,这一发(fa)现为破解(jie)高(gao)温超导机理提供了(le)全新突破口。
简单来说,超导好比电力高(gao)速公路上的“零能耗跑车”,电流(liu)通过时完全没有损耗,被广泛认为具(ju)有颠覆性的技术前景。目前,超导材料已应用于医疗、电力、能源、交通、信息、量子计算(suan)、精密测量等方面。例如,地月距离(li)高(gao)精度(du)测量用的超导单光(guang)子探(tan)测技术,量子计算(suan)用的超导量子比特以及医院里常见的核磁(ci)共振成(cheng)像仪等。
自1911年超导现象被发(fa)现以来,寻(xun)找更高(gao)温度(du)的超导材料就(jiu)成(cheng)为国(guo)际科学界的一个(ge)重要研究方向。传统超导体的超导最高(gao)转变温度(du)为40K(开尔文),约为零下233摄氏度(du),即“麦克米兰极限”。此前,铜基和铁(tie)基两类材料的超导转变温度(du)突破了(le)“麦克米兰极限”,被称为高(gao)温超导体。本次发(fa)现使(shi)镍基材料成(cheng)为继铜基、铁(tie)基材料之后,第三类在常压(ya)下突破“麦克米兰极限”的高(gao)温超导材料体系。
2023年,我国(guo)科学家在高(gao)压(ya)环境(jing)下实(shi)现了(le)镍基材料的液氮温区超导,在国(guo)际上引(yin)发(fa)关注。但高(gao)温超导机理仍未(wei)破解(jie),如何摆脱高(gao)压(ya)限制、实(shi)现常压(ya)高(gao)温超导,成(cheng)为全球科学家的挑战目标。
针对这一挑战,3年来,由薛其坤院士与陈卓昱副教授率领的研究团队持(chi)续攻关,自主研发(fa)了(le)“强氧化原(yuan)子逐层外延”技术,并(bing)将(jiang)之应用于镍基超导材料的开发(fa)中。这项技术可以在氧化能力比传统方法强上万倍(bei)的条件下,实(shi)现原(yuan)子层的逐层生长,并(bing)精确控制化学配比,如同在纳米尺度(du)上“搭原(yuan)子积木(mu)”,构建出结构复杂、热力学亚(ya)稳,但晶体质量趋于完美(mei)的氧化物薄(bao)膜。
研究团队在原(yuan)子级平滑的基片之上,精确排列镍、氧等原(yuan)子,构建出厚度(du)仅几纳米的超薄(bao)膜,并(bing)在极强的氧化环境(jing)下,通过界面工程,实(shi)现了(le)“原(yuan)子铆钉术”,固定住了(le)原(yuan)本需(xu)要极高(gao)压(ya)环境(jing)下才能稳定存在的原(yuan)子结构。
薛其坤介绍,这是氧化物薄(bao)膜外延生长技术的一次重大跨越,不仅为包括宽禁带(dai)半导体等各类氧化物的缺氧难题提供了(le)解(jie)决方案(an),还极大地拓展了(le)高(gao)温超导等强关联电子系统的人工设计与制备(bei)。同时,这也(ye)表明,通过界面工程优化材料设计,有望在更高(gao)的温度(du)实(shi)现镍基超导。
值(zhi)得注意的是,本次成(cheng)果是在新型有组织科研的模式下取得的。在攻关过程中,科研团队深度(du)联动粤港澳大湾区本地的高(gao)端装备(bei)制造企业,持(chi)续探(tan)索(suo)并(bing)不断优化“科研牵引(yin)—联合(he)开发(fa)—迭代升级”的新型校企协同研发(fa)范式,彰显了(le)跨区域科技创新的协同能力。
针对超高(gao)真空、超强氧化环境(jing)、原(yuan)子级沉积精度(du)、高(gao)度(du)自动化等严苛的要求,科研团队组织多家国(guo)产设备(bei)制造企业,在技术验证(zheng)和科研应用的过程中反复迭代,最终打造出全球首台兼具(ju)超强氧化氛围(wei)与原(yuan)子级沉积精度(du)的薄(bao)膜外延设备(bei),实(shi)现较国(guo)际同类设备(bei)提升上万倍(bei)的氧化效能。
“此次研究实(shi)现了(le)全链条自主创新,基于全国(guo)产设备(bei),发(fa)展了(le)独特的强氧化能力薄(bao)膜生长技术,成(cheng)功(gong)获得了(le)晶体质量更高(gao)的薄(bao)膜材料,不仅取得了(le)科学上的突破性发(fa)现,也(ye)为我国(guo)在超导乃至量子材料领域的长期(qi)自主发(fa)展奠定了(le)坚实(shi)基础。”薛其坤说。
目前,该研究已引(yin)发(fa)国(guo)际学术界高(gao)度(du)关注。镍基、铜基与铁(tie)基三类高(gao)温超导体电子结构相异,通过三者的对比研究,可以深入理解(jie)高(gao)温超导电子配对的核心(xin)机制,为破解(jie)高(gao)温超导机理这一科学难题提供关键(jian)钥匙(chi),为能源、信息、医疗等领域的颠覆性技术奠定科学基石。