中國高溫超導(dǎo)新突破登Nature，薛其坤院士領(lǐng)銜，南方科大成果
中國高溫超導(dǎo)，再迎新突破！
南方科技大學(xué)校長薛其坤院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊，最新研究成果加急發(fā)表在了Nature。
不同于經(jīng)典的銅或鐵基超導(dǎo)，這項成果首次讓鎳基化合物突破了麥克米蘭極限（40K）。
團(tuán)隊新研發(fā)的鎳基材料超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了45K（-229℃），并且成功觀測到了“零電阻”和“抗磁性”的雙重特征。
在其背后，通過三年多的攻關(guān)，團(tuán)隊研發(fā)出了一種新的薄膜生長技術(shù)，克服了雙層鎳氧化物材料的固有難題。
薛其坤院士介紹，這是氧化物薄膜外延生長技術(shù)的一次重大跨越。
鎳基材料突破麥克米蘭極限
在這項研究中，實現(xiàn)常壓高溫超導(dǎo)的材料是La2.85Pr0.15Ni2O7，一種稀土元素部分替代的雙層鎳氧化物，基本材料是La3Ni2O7（中山大學(xué)王猛教授團(tuán)隊2023年發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料）。
具體來說，研究者在SrLaAlO4襯底上外延生長了3個晶胞厚的La2.85Pr0.15Ni2O7超導(dǎo)薄膜。
其中La的15%被Pr取代。薄膜呈四方晶體結(jié)構(gòu)，NiO2面內(nèi)有約2%的壓縮應(yīng)變。
（注：La=鑭，Pr=鐠，Ni=鎳，Sr=鍶，Al=鋁）
這種材料在鎳基材料當(dāng)中，首次突破了麥克米蘭極限。
1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer三人以近自由電子模型為基礎(chǔ)提出了BCS理論，從微觀上解釋了常規(guī)金屬及合金超導(dǎo)體的機制。
根據(jù)電子-聲子強耦合情形下的BCS理論，麥克米蘭等人基于當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的一些超導(dǎo)體的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗外推，提出常壓下超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度不能高于40K（-233℃），這被稱為“麥克米蘭極限”。
后來，銅基和鐵基材料均突破了麥克米蘭極限，這次的鎳基材料在常壓下的臨界溫度也達(dá)到了45K（-229℃）。
電阻率隨溫度變化曲線表明，La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜在20K（-253℃）以下，電阻率逐漸趨于零，接近BKT（Berezinskii–Kosterlitz–Thouless）相變的行為，而超導(dǎo)轉(zhuǎn)變起始溫度為45K。
磁學(xué)上，研究團(tuán)隊使用互感法直接觀測到La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜的邁斯納抗磁性信號，表明體系進(jìn)入真正的超導(dǎo)態(tài)。邁斯納溫度為8K，與TBKT值一致。
此外，作者對比了雙層鎳氧化物與無限層鎳氧化物和銅氧化物超導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)和電子態(tài)方面的異同。
據(jù)此，作者指出這種材料獨特的晶體場分裂和軌道雜化可能是導(dǎo)致高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵，為后續(xù)研究提供了參考。
在納米尺度上“搭原子積木”
不僅最終成果是一項重大突破，在材料的制備上，La2.85Pr0.15Ni2O7也蘊含了大量創(chuàng)新。
繼銅基和鐵基之后，鎳基超導(dǎo)材料“異軍突起”，并且之前已經(jīng)實現(xiàn)了高壓低溫超導(dǎo)，但是擺脫高壓限制依然是一大難關(guān)。
為了突破這一難題，研究團(tuán)隊使用了花三年時間自研的強氧化原子逐層外延（GOALL-Epitaxy）技術(shù)，被譽為是在納米尺度上“搭原子積木”。
具體到此項研究，這項技術(shù)的核心是在強氧化氣氛下通過激光燒蝕La0.95Pr0.05Ox和NiOx陶瓷靶材，在SrLaAlO4單晶襯底上逐原子層生長出La2.85Pr0.15Ni2O7超導(dǎo)薄膜。
首先，研究團(tuán)隊將預(yù)處理過的SrLaAlO4單晶襯底的(001)取向SrLaAlO4襯底裝入真空腔室，加熱至生長溫度。
然后通入高純氧氣和臭氧，使襯底表面處于3-5Pa臭氧和7Pa氧氣背景的強氧化環(huán)境中。
接著用激光輪流燒蝕La0.95Pr0.05Ox和NiOx靶材，按照La0.95Pr0.05O - NiO2 - La0.95Pr0.05O - NiO2 - La0.95Pr0.05O的次序逐原子層生長La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜。
生長過程由RHEED實時監(jiān)測，生長完成后，在臭氧氣氛中快速冷卻樣品，并退火處理以優(yōu)化薄膜質(zhì)量。
這種方法的特點是能夠?qū)ιL過程進(jìn)行原子層次的精確控制，化學(xué)計量比精確可控。
在該方法下，La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的層狀生長模式，并且界面陡峭、無雜質(zhì)。
團(tuán)隊平均年齡28歲
本項目由南方科技大學(xué)校長薛其坤院士、超導(dǎo)機理實驗室陳卓昱副教授領(lǐng)銜。
薛其坤1984年從山東大學(xué)光學(xué)系激光專業(yè)畢業(yè)，1999年9月，任中科院表面物理國家重點實驗室主任。
2005年5月起，薛其坤擔(dān)任清華大學(xué)物理系教授，11月當(dāng)選中科院院士，然后再清華一路升至院長、副校長，2020年到新成立的南方科技大學(xué)擔(dān)任校長。
2024年，61歲的薛其坤獲得了2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎，是該獎項迄今為止最年輕的獲獎?wù)摺?/p>
△來源：南方科技大學(xué)官網(wǎng)，下同
整個團(tuán)隊也高度年輕化，平均年齡只有28歲，與薛其坤一起率領(lǐng)團(tuán)隊的陳卓昱副教授今年也只有35歲。
2012年，陳卓昱畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，之后到斯坦福讀博，博士畢業(yè)后留校從事博士后研究。
2022年，陳卓昱加入南方科技大學(xué)，出任物理系副教授。
包括陳卓昱在內(nèi)，論文大部分作者都來自南科大超導(dǎo)機理實驗室。
四名共同一作也都很年輕，包括博士后或在讀博士生，甚至碩士生。
- 博士后周廣迪，2022年博士畢業(yè)于中科院半導(dǎo)體研究所，2023年2月加入該實驗室；
- 博士生呂威，2023年9月加入；
- 博士后汪恒，清華物理學(xué)博士、本科武漢大學(xué)，2023年7月加入；
- 碩士生聶子豪，本科畢業(yè)于深圳大學(xué)物理學(xué)，2023年6月加入。
其余作者中，博士生陳亞奇、博士后李月瑩、副研究員黃浩亮，也都出自該實驗室。
此外，南科大物理系教授陳偉強、副教授孫煜杰也參與了這項研究，論文部分作者在粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心有兼職。
（注：除薛其坤、陳卓昱外，其余作者按照論文署名順序排列）
