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薛其坤(kun)(左(zuo)二)与研(yan)发团队(dui)在实验室进行高温超(chao)导研(yan)究 受访者供图(tu) |
羊城晚报讯 记者沈婷婷报道:我国科(ke)学家在高温超(chao)导领域取得重大突破(po)。由(you)国家最高科(ke)学技术奖获得者薛其坤(kun)院士(shi)领衔的南方科(ke)技大学、粤(yue)港澳大湾区量子科(ke)学中(zhong)心与清华大学联合研(yan)究团队(dui),于(yu)北京时间(jian)2月18日在国际学术期刊《自然》线(xian)上发表研(yan)究成(cheng)果(guo),发现常压下镍氧(yang)化物的高温超(chao)导电性(xing)。该发现使镍基(ji)材料(liao)成(cheng)为继铜(tong)基(ji)、铁基(ji)之后,第三类在常压下突破(po)40K“麦克米(mi)兰极限”的高温超(chao)导材料(liao)体系,为解决(jue)高温超(chao)导机理(li)的科(ke)学难题提供了(le)全新突破(po)口。
当日,南科(ke)大举行高温超(chao)导研(yan)究重大成(cheng)果(guo)发布(bu)会,对上述成(cheng)果(guo)进行详细介绍。
全部采用国产仪器攻(gong)关
超(chao)导好比电力高速公路上的“零能耗跑车”,电流通过时完全没有损耗,被广泛(fan)认(ren)为具有颠覆性(xing)的技术前景。超(chao)导现象自1911年被发现以来,寻找更高温度的超(chao)导材料(liao)成(cheng)为国际科(ke)学界的一个重要研(yan)究方向(xiang)。传(chuan)统超(chao)导体的超(chao)导最高转变温度为40K,也就是“麦克米(mi)兰极限”。此前,铜(tong)基(ji)和铁基(ji)两类材料(liao)的超(chao)导转变温度突破(po)了(le)“麦克米(mi)兰极限”,被称为高温超(chao)导体,但高温超(chao)导机理(li)复杂如同(tong)“量子迷宫”,科(ke)学家探索近40年仍未破(po)解。
近年来,镍基(ji)超(chao)导材料(liao)“异军突起”。2019年,美(mei)国科(ke)学家首次在镍基(ji)薄膜中(zhong)观测到超(chao)导电性(xing),但其超(chao)导温度较低。2023年,我国科(ke)学家在超(chao)过十万个大气压的高压环境下,实现了(le)镍基(ji)材料(liao)的液氮温区超(chao)导,在国际上引起广泛(fan)影响。然而,如何摆脱高压限制、实现常压高温超(chao)导,成(cheng)为全球科(ke)学家竞相追逐的目标。
针对这一挑战,3年来,由(you)薛其坤(kun)院士(shi)与陈卓昱(yu)副教授率领的研(yan)究团队(dui)持续攻(gong)关,自主(zhu)研(yan)发了(le)“强氧(yang)化原(yuan)子逐层外延”技术。这项技术可以在氧(yang)化能力比传(chuan)统方法强上万倍的条件下,依然实现原(yuan)子层的逐层生长,并精确控制化学配(pei)比,如同(tong)在纳米(mi)尺度上“搭原(yuan)子积木”,构建出结构复杂、热力学亚稳,但晶体质(zhi)量趋于(yu)完美(mei)的氧(yang)化物薄膜。
研(yan)究团队(dui)将这项技术应用于(yu)镍基(ji)超(chao)导材料(liao)的开(kai)发之中(zhong):在原(yuan)子级平滑的基(ji)片之上,精确排列镍、氧(yang)等原(yuan)子,构建出厚度仅几纳米(mi)的超(chao)薄膜。特别(bie)是,研(yan)究团队(dui)在极强的氧(yang)化环境下,通过界面工程(cheng),实现了(le)“原(yuan)子铆钉术”,固定住了(le)原(yuan)本(ben)需要极高压环境下才能稳定存在的原(yuan)子结构。他们试验了(le)一千多片样(yang)品,最后成(cheng)功地获得了(le)常压下的超(chao)导电性(xing)。
镍基(ji)超(chao)导研(yan)究是当前国际科(ke)学界的前沿热点,全球竞争(zheng)异常激烈(lie)。美(mei)国斯(si)坦福大学的研(yan)究团队(dui)与合作者几乎同(tong)时也报告了(le)类似材料(liao)体系中(zhong)的常压超(chao)导电性(xing)。中(zhong)美(mei)团队(dui)研(yan)究路径独立(li),实验相互印证。值得一提的是,中(zhong)国团队(dui)全部采用国产仪器,发展了(le)独特的强氧(yang)化能力薄膜生长技术,成(cheng)功获得了(le)晶体质(zhi)量更高的薄膜材料(liao),不仅实现了(le)科(ke)学上的突破(po)性(xing)发现,更为我国在超(chao)导乃至量子材料(liao)领域的长期自主(zhu)发展奠(dian)定了(le)坚实基(ji)础。
研(yan)究团队(dui)平均(jun)年龄28岁
记者关注到,实现这一重大突破(po)的科(ke)研(yan)团队(dui)高度年轻化。团队(dui)负责人陈卓昱(yu)副教授仅35岁,他从小酷爱物理(li),以广东省高中(zhong)物理(li)竞赛第一名保送(song)清华大学物理(li)系,后赴美(mei)国斯(si)坦福大学深造,一直保持对物理(li)的热忱。陈卓昱(yu)3年前回到家乡深圳,任职于(yu)南方科(ke)技大学,在薛其坤(kun)院士(shi)的领导下,从零开(kai)始组建超(chao)导机理(li)实验室,开(kai)展高温超(chao)导研(yan)究。这项成(cheng)果(guo)正是在他的直接率领下,主(zhu)要由(you)博士(shi)后和在读研(yan)究生组成(cheng)的平均(jun)年龄仅28岁的研(yan)究团队(dui)努力攻(gong)关而取得的。
薛其坤(kun)表示,本(ben)次科(ke)研(yan)突破(po)充分(fen)展示了(le)我国在高温超(chao)导前沿领域的原(yuan)创竞争(zheng)能力,彰显了(le)跨区域科(ke)技创新的协同(tong)能力,体现了(le)以90后为代表的年轻科(ke)学家团队(dui)在技术方法上的开(kai)拓创新能力,凸(tu)显了(le)以粤(yue)港澳大湾区为代表的国产自主(zhu)可控科(ke)研(yan)设备(bei)对前沿科(ke)研(yan)创新的支撑能力。
该研(yan)究已引发国际学术界高度关注。镍基(ji)、铜(tong)基(ji)与铁基(ji)三类高温超(chao)导体电子结构相异,通过三者的对比研(yan)究,可以深入理(li)解高温超(chao)导电子配(pei)对的核心机制,为破(po)解高温超(chao)导机理(li)这一世纪科(ke)学难题提供关键钥匙。