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中国(guo)科学(xue)家发现——
常(chang)压下镍氧化(hua)物具(ju)高(gao)温超导电性(科技自立自强)
这项研究实现了全链条自主(zhu)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(zhe)吕绍刚、程远(yuan)州)由(you)国(guo)家最高(gao)科学(xue)技术奖获得者(zhe)薛其坤院士领衔的南方科技大学(xue)、粤港澳(ao)大湾(wan)区量子科学(xue)中心与清华大学(xue)联(lian)合研究团队于北京时间2月18日在国(guo)际学(xue)术期刊《自然》线上发表研究成果,发现常(chang)压下镍氧化(hua)物的高(gao)温超导电性,并观测(ce)到“零电阻”和“完全抗磁(ci)性”双(shuang)重特征。这是我国(guo)科学(xue)家在高(gao)温超导领域作(zuo)出的一项突破(po)性科学(xue)成果,这一发现为破(po)解高(gao)温超导机理提供了全新突破(po)口。
简单来说,超导好比电力高(gao)速公路上的“零能耗跑车”,电流通过(guo)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(liao)、电力、能源、交通、信息、量子计算(suan)、精密测(ce)量等方面。例如,地月距离高(gao)精度测(ce)量用的超导单光子探(tan)测(ce)技术,量子计算(suan)用的超导量子比特以及医院里常(chang)见的核磁(ci)共振(zhen)成像仪等。
自1911年超导现象被发现以来,寻找更高(gao)温度的超导材料就成为国(guo)际科学(xue)界的一个(ge)重要研究方向。传统超导体的超导最高(gao)转变(bian)温度为40K(开尔(er)文),约为零下233摄氏(shi)度,即“麦克米兰极限”。此(ci)前,铜基和铁基两类材料的超导转变(bian)温度突破(po)了“麦克米兰极限”,被称为高(gao)温超导体。本次发现使镍基材料成为继铜基、铁基材料之后,第三类在常(chang)压下突破(po)“麦克米兰极限”的高(gao)温超导材料体系(xi)。
2023年,我国(guo)科学(xue)家在高(gao)压环境(jing)下实现了镍基材料的液氮温区超导,在国(guo)际上引发关注。但(dan)高(gao)温超导机理仍未破(po)解,如何(he)摆脱高(gao)压限制(zhi)、实现常(chang)压高(gao)温超导,成为全球科学(xue)家的挑战目标。
针对这一挑战,3年来,由(you)薛其坤院士与陈(chen)卓昱副教授率领的研究团队持(chi)续攻关,自主(zhu)研发了“强氧化(hua)原子逐层外延”技术,并将(jiang)之应用于镍基超导材料的开发中。这项技术可以在氧化(hua)能力比传统方法强上万倍的条件下,实现原子层的逐层生(sheng)长,并精确控(kong)制(zhi)化(hua)学(xue)配比,如同在纳米尺度上“搭原子积(ji)木”,构建出结构复杂、热力学(xue)亚稳,但(dan)晶体质量趋于完美的氧化(hua)物薄膜。
研究团队在原子级平滑的基片之上,精确排列镍、氧等原子,构建出厚度仅几纳米的超薄膜,并在极强的氧化(hua)环境(jing)下,通过(guo)界面工程,实现了“原子铆钉术”,固定住了原本需要极高(gao)压环境(jing)下才能稳定存在的原子结构。
薛其坤介绍,这是氧化(hua)物薄膜外延生(sheng)长技术的一次重大跨越,不仅为包括宽禁带半导体等各类氧化(hua)物的缺氧难题提供了解决(jue)方案,还极大地拓展了高(gao)温超导等强关联(lian)电子系(xi)统的人工设计与制(zhi)备。同时,这也表明,通过(guo)界面工程优化(hua)材料设计,有望在更高(gao)的温度实现镍基超导。
值得注意的是,本次成果是在新型有组织(zhi)科研的模式下取得的。在攻关过(guo)程中,科研团队深度联(lian)动粤港澳(ao)大湾(wan)区本地的高(gao)端装备制(zhi)造企业,持(chi)续探(tan)索(suo)并不断优化(hua)“科研牵引—联(lian)合开发—迭代升级”的新型校企协同研发范式,彰显(xian)了跨区域科技创新的协同能力。
针对超高(gao)真空、超强氧化(hua)环境(jing)、原子级沉积(ji)精度、高(gao)度自动化(hua)等严苛的要求,科研团队组织(zhi)多家国(guo)产设备制(zhi)造企业,在技术验证和科研应用的过(guo)程中反复迭代,最终(zhong)打造出全球首台兼(jian)具(ju)超强氧化(hua)氛围与原子级沉积(ji)精度的薄膜外延设备,实现较国(guo)际同类设备提升上万倍的氧化(hua)效能。
“此(ci)次研究实现了全链条自主(zhu)创新,基于全国(guo)产设备,发展了独特的强氧化(hua)能力薄膜生(sheng)长技术,成功获得了晶体质量更高(gao)的薄膜材料,不仅取得了科学(xue)上的突破(po)性发现,也为我国(guo)在超导乃至量子材料领域的长期自主(zhu)发展奠定了坚实基础。”薛其坤说。
目前,该研究已引发国(guo)际学(xue)术界高(gao)度关注。镍基、铜基与铁基三类高(gao)温超导体电子结构相异,通过(guo)三者(zhe)的对比研究,可以深入理解高(gao)温超导电子配对的核心机制(zhi),为破(po)解高(gao)温超导机理这一科学(xue)难题提供关键钥匙,为能源、信息、医疗(liao)等领域的颠覆性技术奠定科学(xue)基石。