“原子積木術(shù)”讓鎳基超導(dǎo)材料甩掉高壓“緊箍咒” 中國(guó)科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域取得重大突破

超導(dǎo)，這一神奇的物理現(xiàn)象，常被形象地比喻為電力高速公路上的“零能耗跑車(chē)”。當(dāng)電流通過(guò)超導(dǎo)材料時(shí)，完全不會(huì)產(chǎn)生損耗，正因如此，它被廣泛視為具有顛覆性技術(shù)前景的關(guān)鍵領(lǐng)域。

今天，南方科技大學(xué)舉行高溫超導(dǎo)研究重大成果發(fā)布會(huì)。由南方科技大學(xué)、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、清華大學(xué)聯(lián)合組成的研究團(tuán)隊(duì)，在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域取得一項(xiàng)重大突破。該突破發(fā)現(xiàn)，繼銅基、鐵基之后，鎳基材料成為第三類(lèi)在常壓下突破40K“麥克米蘭極限”的高溫超導(dǎo)材料體系，為解決高溫超導(dǎo)機(jī)理的科學(xué)難題提供了全新突破口。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》雜志上。

納米尺“搭積木”，搭出超導(dǎo)材料新未來(lái)

超導(dǎo)現(xiàn)象自1911年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，尋找更高溫度的超導(dǎo)材料就成為國(guó)際科學(xué)界的“圣杯”。傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高只能達(dá)到40K，也就是“麥克米蘭極限”。此前，銅基和鐵基兩類(lèi)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破了“麥克米蘭極限”，被稱(chēng)為高溫超導(dǎo)體，但高溫超導(dǎo)機(jī)理復(fù)雜程度之高如同“量子迷宮”，科學(xué)家探索近40年仍未完全破解。

近年來(lái)，鎳基超導(dǎo)材料“異軍突起”。2023年，我國(guó)科學(xué)家在超過(guò)十萬(wàn)個(gè)大氣壓的高壓環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了鎳基材料的液氮溫區(qū)超導(dǎo)，在國(guó)際上引起廣泛影響。然而，如何擺脫高壓限制、實(shí)現(xiàn)常壓高溫超導(dǎo)，成為全球科學(xué)家競(jìng)相追逐的目標(biāo)。

中國(guó)科學(xué)院院士、南科大校長(zhǎng)薛其坤團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，讓鎳基材料在日常壓力環(huán)境中，并且在零下233攝氏度以上就能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

團(tuán)隊(duì)核心成員、南科大物理系副教授陳卓昱表示，“本鎳基高溫超導(dǎo)只能在非常高的壓力下實(shí)現(xiàn)，高達(dá)十幾萬(wàn)個(gè)大氣壓，基本上相當(dāng)于地球內(nèi)部的壓力。我們現(xiàn)在可以把原本在高壓下才能穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，移植到常壓條件下，在常壓下實(shí)現(xiàn)鎳基材料的高溫超導(dǎo)”。

那么團(tuán)隊(duì)是如何把高壓下才能穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，移植到常壓下的呢？3年來(lái)，薛其坤研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，在極強(qiáng)的氧化環(huán)境下，研制出一種能實(shí)現(xiàn)在納米尺度上“搭原子積木”的技術(shù)，制備出這種常壓下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的鎳氧化物薄膜。

研究團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用于鎳基超導(dǎo)材料的開(kāi)發(fā)之中，在原子級(jí)平滑的基片之上，精確排列鎳、氧等原子，構(gòu)建出厚度僅幾納米的超薄膜。特別是，研究團(tuán)隊(duì)在極強(qiáng)的氧化環(huán)境下，通過(guò)薄膜和基片之間的界面工程，實(shí)現(xiàn)了“原子鉚釘術(shù)”，固定住了原本需要在極高壓環(huán)境下才能穩(wěn)定存在的原子結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)了一千多片樣品，成功獲得了常壓下的超導(dǎo)電性。精密的電磁輸運(yùn)測(cè)量同時(shí)觀測(cè)到了零電阻與抗磁性，為超導(dǎo)電性提供了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)鏈。此次突破也表明，通過(guò)界面工程優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，未來(lái)在常壓下實(shí)現(xiàn)液氮溫區(qū)的鎳基超導(dǎo)，已具備現(xiàn)實(shí)路徑。

“90 后”帶隊(duì)，超導(dǎo)“謎局”的青春解碼

“學(xué)校積極引進(jìn)優(yōu)秀青年人才，在基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域成果斐然。以此次高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的突破為例，主要完成團(tuán)隊(duì)由‘90后’領(lǐng)銜，平均年齡僅28歲，帶領(lǐng)著年輕學(xué)生攻堅(jiān)克難。”作為國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者，薛其坤近年來(lái)始終堅(jiān)守科研一線，引領(lǐng)量子材料的前沿探索。

此次發(fā)現(xiàn)，正是在有組織科研的模式下，經(jīng)過(guò)南科大、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、清華大學(xué)三個(gè)單位的大團(tuán)隊(duì)異地協(xié)作，堅(jiān)持不懈科研攻堅(jiān)所取得的成果。值得欣喜的是，實(shí)現(xiàn)這一重大突破的科研團(tuán)隊(duì)高度年輕化。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳卓昱僅35歲，他從小酷愛(ài)物理，以廣東省高中物理競(jìng)賽第一名保送清華大學(xué)物理系，后赴美國(guó)斯坦福大學(xué)深造，一直保持對(duì)物理的熱忱。陳卓昱3年前回到家鄉(xiāng)深圳，任職南科大，在薛其坤的領(lǐng)導(dǎo)下，從零開(kāi)始組建超導(dǎo)機(jī)理實(shí)驗(yàn)室，帶領(lǐng)平均年齡僅28歲的研究團(tuán)隊(duì)，攻克了一系列科學(xué)和技術(shù)難關(guān)。

在薛其坤看來(lái)，本次科研突破充分展示了我國(guó)在高溫超導(dǎo)前沿領(lǐng)域的原創(chuàng)競(jìng)爭(zhēng)能力，彰顯了跨區(qū)域科技創(chuàng)新的協(xié)同能力，體現(xiàn)了以“90后”為代表的年輕科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，在技術(shù)方法上的開(kāi)拓創(chuàng)新能力。

大灣區(qū)產(chǎn)學(xué)研“共舞”，助力超導(dǎo)關(guān)鍵突破

南科大等在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域獲得重大突破，團(tuán)隊(duì)在常壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了鎳氧化物材料的高溫超導(dǎo)電性，并觀測(cè)到“零電阻”和“完全抗磁性”雙重特征。

鎳基、銅基與鐵基三類(lèi)高溫超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)相異，卻均可實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)，三者的對(duì)比研究，將直指高溫超導(dǎo)電子配對(duì)的核心機(jī)制，為破解高溫超導(dǎo)機(jī)理這一世紀(jì)科學(xué)難題提供關(guān)鍵鑰匙。超導(dǎo)機(jī)理的突破，不僅將深化人類(lèi)對(duì)量子物質(zhì)行為的理解，更將為能源、信息、醫(yī)療等領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)奠定科學(xué)基石，進(jìn)一步有力推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力的提升和科技創(chuàng)新發(fā)展。

作為產(chǎn)生此次成果的關(guān)鍵技術(shù)“強(qiáng)氧化原子逐層外延”，其誕生與粵港澳大灣區(qū)獨(dú)特的產(chǎn)學(xué)研生態(tài)密不可分，體現(xiàn)出大灣區(qū)在科技創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研深度融合方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在此次攻關(guān)過(guò)程中，科研團(tuán)隊(duì)深度聯(lián)動(dòng)本地高端裝備制造企業(yè)，持續(xù)探索并不斷優(yōu)化“科研牽引—聯(lián)合開(kāi)發(fā)—迭代升級(jí)”的新型校企協(xié)同研發(fā)范式。針對(duì)超高真空、超強(qiáng)氧化環(huán)境、原子級(jí)沉積精度、高度自動(dòng)化等嚴(yán)苛的要求，南科大科研團(tuán)隊(duì)等組織多家國(guó)產(chǎn)設(shè)備制造企業(yè)，迅速組建由材料科學(xué)家、精密機(jī)械工程師和自動(dòng)化控制專(zhuān)家組成的聯(lián)合技術(shù)組，在技術(shù)驗(yàn)證和科研應(yīng)用的過(guò)程中反復(fù)迭代，率先打造出兼具超強(qiáng)氧化氛圍與原子級(jí)沉積精度的薄膜外延設(shè)備，實(shí)現(xiàn)較國(guó)際同類(lèi)設(shè)備提升上萬(wàn)倍的氧化效能。

在當(dāng)前國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、你追我趕的背景下，大灣區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈的快速響應(yīng)與協(xié)同攻關(guān)能力，成為此次南科大聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)取得突破的重要因素。本地企業(yè)通過(guò)派駐技術(shù)人員與高校實(shí)驗(yàn)室建立長(zhǎng)期合作關(guān)系，能夠?qū)崟r(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障時(shí)快速完成維修或提供替代方案，最大程度支撐科研工作的高效進(jìn)行。這種伴隨式、快速響應(yīng)式的服務(wù)不僅提升了設(shè)備的使用效率，還促進(jìn)了設(shè)備不斷迭代升級(jí)，達(dá)到更高的運(yùn)行水平。

“團(tuán)隊(duì)全部采用國(guó)產(chǎn)儀器，發(fā)展了獨(dú)特的強(qiáng)氧化能力薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，成功獲得了晶體質(zhì)量更高的薄膜材料，不僅實(shí)現(xiàn)了科學(xué)上的突破性發(fā)現(xiàn)，更為我國(guó)在超導(dǎo)乃至量子材料領(lǐng)域的長(zhǎng)期自主發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！毖ζ淅け硎?，“這是我們國(guó)家自主發(fā)展實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)重大創(chuàng)新。團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步用獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，繼續(xù)探索不同的材料體系，爭(zhēng)取在常壓下讓它的溫度也能高于液氮”。（中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)通訊員 陳婉兒 謝鈺然 楊曼潮 記者 劉盾）