4月8日，國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》刊發(fā)我國(guó)超導(dǎo)領(lǐng)域重大成果，南方科技大學(xué)量子功能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理系聯(lián)合粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、清華大學(xué)薛其坤—陳卓昱團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈大偉團(tuán)隊(duì)等合作，通過人工設(shè)計(jì)原子堆疊序列，成功創(chuàng)制“單層—雙層”與“雙層—三層”兩種新型常壓鎳基氧化物超導(dǎo)材料，標(biāo)志著我國(guó)在高溫超導(dǎo)材料研發(fā)領(lǐng)域取得關(guān)鍵進(jìn)展。

高溫超導(dǎo)是凝聚態(tài)物理核心前沿，鎳基材料被視為繼銅基、鐵基之后揭示高溫超導(dǎo)機(jī)理的第三類關(guān)鍵體系。然而，鎳基超導(dǎo)合成需實(shí)現(xiàn)高度氧化狀態(tài)，這與晶格穩(wěn)定生長(zhǎng)存在熱力學(xué)沖突，長(zhǎng)期制約其研發(fā)突破。本次研究精準(zhǔn)破解這一核心矛盾，為鎳基超導(dǎo)材料的可控合成開辟了全新路徑。

研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)，開辟極端非平衡生長(zhǎng)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)中結(jié)構(gòu)構(gòu)建與充分氧化“一步完成”。這項(xiàng)技術(shù)如同納米尺度的“原子積木搭建”，可按人工設(shè)計(jì)藍(lán)圖精確排列鑭、鐠、鎳等原子，構(gòu)建出高質(zhì)量鎳基氧化物薄膜，為鎳基超導(dǎo)研究提供獨(dú)一無二的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

四種鎳基超結(jié)構(gòu)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)（上）、電輸運(yùn)性質(zhì)（中）和費(fèi)米面拓?fù)洌ㄏ拢?/p>

基于該技術(shù)，團(tuán)隊(duì)合成出單層—雙層、單層—三層、雙層—三層三種全新鎳基超結(jié)構(gòu)材料。

其中，單層—雙層超結(jié)構(gòu)起始轉(zhuǎn)變溫度達(dá)50K，雙層—三層超結(jié)構(gòu)達(dá)46K，均突破傳統(tǒng)超導(dǎo)理論的“麥克米蘭極限”；

而單層—三層超結(jié)構(gòu)僅呈現(xiàn)金屬性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)結(jié)構(gòu)中布里淵區(qū)頂角附近的γ能帶費(fèi)米口袋是決定超導(dǎo)發(fā)生的關(guān)鍵“電子基因”。

本次成果從實(shí)驗(yàn)上明確了原子堆疊構(gòu)型、電子能帶與超導(dǎo)電性的關(guān)聯(lián)，為揭示鎳基高溫超導(dǎo)微觀機(jī)制提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

作為第三類突破常壓“麥克米蘭極限”的高溫超導(dǎo)體系，鎳基材料與銅基、鐵基的對(duì)比研究，將為攻克高溫超導(dǎo)這一世紀(jì)科學(xué)難題提供核心鑰匙，也為未來能源輸運(yùn)、量子計(jì)算等領(lǐng)域的技術(shù)變革奠定科學(xué)基石。