近日，南方科技大學物理系及量子科學卓越創新中心薛其坤院士團隊在高溫超導研究領域取得重大突破。他們採用創新的薄膜生長技術，首次在常壓條件下實現了鎳基雙層氧化物的超導轉變溫度達到 45 開爾文（約 -228℃），成功突破了傳統 BCS 理論預言的 40 開爾文麥克米蘭極限。這一重要成果於 2 月 17 日發表在 Nature 雜誌上，為探索新型高溫超導材料開闢了新的方向。
圖丨相關論文（來源：Nature）
超導現象自 1911 年首次發現以來，一直是凝聚態物理領域最受關注的研究課題之一。當材料進入超導態後，電阻會降為零，表現出完美的導電性。這種獨特的物理特性使超導體在能源傳輸、醫療影像、量子計算等領域具有廣闊的應用前景。然而，早期發現的超導體都需要在極低溫度下（通常接近絕對零度）才能實現超導，這極大地限制了它們的實際應用。
圖丨超導現象的發現者海克·卡末林·昂內斯（來源：WikiPedia）
物理學家們很快意識到，提高超導轉變溫度是實現實用化的關鍵，但這個目標並非易事。根據傳統超導理論（BCS 理論），在常規超導體中，電子是透過晶格振動（聲子）的媒介形成庫珀對，從而實現超導態。1968 年，麥克米蘭透過理論計算發現，這種機制下超導轉變溫度存在一個理論上限，約為 40 開爾文（-233℃）。這個限制源於電聲耦合強度的天然約束：如果電子和晶格的相互作用太強，晶格會變得不穩定；如果相互作用太弱，則無法形成穩定的庫珀對。這就像是在蹺蹺板上尋找平衡點，決定了常規超導體的最高可能轉變溫度。
1986 年，科學家在銅氧化物中發現了突破麥克米蘭極限的高溫超導現象，掀開了超導研究的新篇章。這類材料被稱為銅基超導體，其超導轉變溫度可以超過液氮溫度（77 開爾文），遠高於此前發現的任何超導材料。然而，銅基超導體的物理機制十分複雜，涉及強關聯電子系統的量子效應，至今仍未完全破解。這促使科學家們不斷探索新的超導材料體系，以期在理解超導機理和提高臨界溫度方面取得突破。
2023 年，中山大學王猛教授團隊在鎳基氧化物研究中取得重大突破。他們發現在高壓條件下，鎳基氧化物 La3Ni2O7 可以在 80 開爾文下實現超導態。這一發現立即引發了國際學術界的廣泛關注，因為鎳基氧化物在結構上與銅基超導體相似，但電子態具有獨特的特徵。隨後，包括復旦大學在內的多個課題組在這一新型超導體系的實驗和理論研究方面取得了一系列重要進展。特別是在材料的製備、表徵和電子結構研究等方面獲得了深入認識。
圖丨王猛團隊相關論文（來源：Nature）
然而，此前發現的鎳基超導體都需要在高壓環境（通常超過 14 萬個大氣壓）下才能實現超導。這一苛刻的條件不僅增加了實驗研究的難度，更重要的是嚴重製約了這類材料在實際應用中的前景。此外，高壓下製備的樣品往往存在多相共存的問題，這使得確定真正負責超導的晶相結構變得困難，也影響了對其物理性質的深入研究。
在這樣的背景下，能否在常壓條件下實現鎳基氧化物的高溫超導，成為了這一領域最受關注的科學問題之一。這不僅關係到新型超導材料的實用化前景，也將為理解高溫超導機理提供重要的實驗依據。
薛其坤團隊成功突破這一科學難題的關鍵在於創新性地運用了“巨型氧化原子層外延”（GOALL-Epitaxy）技術。這是一種精確控制的薄膜生長方法，透過在強臭氧氧化環境下交替使用不同的雷射靶材，可以實現原子層級的精確生長。在具體實驗中，研究團隊在 SrLaAlO4襯底上生長了 3 個晶胞厚度的 La2.85Pr0.15Ni2O7 純相單晶薄膜。
（來源：Nature）
這種生長方法的獨特之處在於其精確的化學計量比控制。研究人員透過精心設計的生長序列，實現了 La0.95Pr0.05O-NiO2-La0.95Pr0.05O-NiO2-La0.95Pr0.05O 的週期性堆疊。每個週期對應半個晶胞結構，透過反射高能電子衍射技術即時監測生長過程，確保了外延應變在 3 個晶胞厚度內的連貫性。值得注意的是，他們將化學計量比的精確度控制在了 1% 以內，這對於保證材料效能至關重要。
在材料製備方面，研究團隊發現後退火處理對實現最佳超導效能起著關鍵作用。他們在 575℃下，在 15 帕的純化臭氧環境中對樣品進行了 30 分鐘的退火處理。這一過程不僅優化了材料的氧化程度，也確保了超導相的穩定性。實驗結果表明，這種方法制備的樣品在 45 開爾文時開始出現超導轉變，並在 9 開爾文時展現出了類似 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）的相變行為。
（來源：Nature）
在物性表徵方面，研究人員透過掃描透射電子顯微鏡和 X 射線衍射等技術手段，詳細研究了材料的微觀結構。結果顯示，薄膜中沒有檢測到雜相，而且在介面處形成了特殊的 AlO2 雙層結構，這為外延生長提供了良好的模板。特別值得一提的是，他們觀察到了鍶離子從襯底向薄膜第一個晶胞的擴散現象，這可能對超導效能的實現起到了重要作用。
這項研究的重要性體現在多個方面。首先，這是首次在常壓條件下實現了超過麥克米蘭極限的鎳基高溫超導體，為新型超導材料的研究開闢了新途徑。其次，研究團隊開發的 GOALL-Epitaxy 技術為製備高質量複雜氧化物薄膜提供了新方法，這對於研究強關聯電子體系具有普遍意義。
更重要的是，這項工作為深入研究鎳基超導體的物理機制創造了有利條件。在常壓環境下，科研人員可以更方便地採用各種實驗手段來探測電子結構和超導機理。這些研究有望幫助揭示高溫超導的本質，併為實現更高溫度的超導體提供指導。
正如團隊所指出的，這項工作為在常壓下實現液氮溫度（77 開爾文）以上的鎳基超導體奠定了基礎。考慮到鎳基超導體獨特的電子結構特徵，未來有望透過應變工程等手段進一步提高其超導轉變溫度。這將為超導材料在能源、醫療等領域的實際應用帶來新的可能。
參考資料：
1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-08755-z
2.https://www.nature.com/articles/s41586-023-06408-7
3.https://www.zhihu.com/question/12586281487?utm_psn=1875469170331758593
運營/排版：何晨龍