两种全新常压镍基超导材料问世！我国科学家重要突破

两种全新常压镍基超导材料问世！我国科学家重要突破


【提要】

我国科学家在镍基高温超导研究领域取得重大突破。南方科技大学与中国科学技术大学研究团队合作，首次创制出两种全新的常压镍基高温超导材料，起始转变温度分别达到50K和46K。这一成果不仅刷新了镍基超导材料的性能记录，更为揭示高温超导机理提供了关键实验依据，标志着我国在高温超导研究领域继续保持国际领先地位。


【研究背景】

超导现象是凝聚态物理学中最神奇也最令人着迷的现象之一。当某些材料被冷却到极低温度时，其电阻会突然降为零，电流可以无损耗地永久流动。这种特性如果能够在常温常压下实现，将彻底改变人类社会的能源利用方式。

从1911年荷兰物理学家昂内斯首次发现超导现象开始，科学家们就一直在追寻更高临界温度的超导材料。一百多年来，超导临界温度不断提高，但始终无法突破常温这一门槛。

在高温超导研究领域，铜基超导体和铁基超导体先后被发现并得到深入研究。1986年，瑞士物理学家贝德诺尔茨和米勒发现了铜基高温超导体，临界温度首次突破液氮温度（77K），这一发现使高温超导研究进入了一个全新时代。

镍基材料作为铜基材料的“近亲”，长期以来被科学家寄予厚望。然而，镍基超导研究长期面临一个核心难题：实现超导所必需的高氧化状态，与材料稳定生长所需要的条件彼此冲突。这就好比要同时烧制瓷器的瓷胎和釉面——瓷胎成型需要温和稳定的环境，釉面显色则需要猛火强氧，两道工序的条件针锋相对，传统方法很难兼顾。


【研究突破】

2026年4月，南方科技大学量子功能材料全国重点实验室和物理系、粤港澳大湾区量子科学中心薛其坤—陈卓昱团队，与中国科学技术大学沈大伟团队等合作，在国际学术期刊《自然》发表了最新研究成果，宣告这一难题被成功破解。

自主研发“强氧化原子逐层外延”技术

针对镍基超导材料合成的核心困难，研究团队自主研发出"强氧化原子逐层外延"技术。这项技术能够在超强氧化环境下，对材料生长过程进行原子级精准操控，使薄膜在生长过程中同时完成结构构建与充分氧化。

这项技术的创新之处在于，它实现了在极端氧化条件下进行原子级工程操控的能力。研究人员形容，这如同在纳米世界中，逐层搭建"原子积木"。科学家可以按照预先设计好的蓝图，精确排列镧、镧、镍等原子，从而构建出一系列高质量镍基氧化物薄膜。

创制两种全新常压镍基超导材料

凭借这一技术，团队首先将此前发现的纯双层结构镍基薄膜的常压超导起始温度从45开尔文提升到63开尔文。这一提升已经令人振奋，但研究团队并未止步于此。

随后，研究团队按照人工设计的原子堆叠方案，精确合成出三种全新的镍基超结构材料。经过严格测试，其中两种材料在常压下实现了高温超导，起始转变温度分别达到50开尔文和46开尔文。

这一成就的意义非凡：研究团队不仅提升了已知材料的性能，还进一步创制出自然界中原本不存在的新型超导材料。这是人类首次在原子层面"设计"并"制造"出全新的超导体。


【技术意义】

揭示超导电子的能量动量结构

发现新材料只是第一步，理解"为什么会超导"才是更关键的科学问题。为此，研究团队将原子级精准结构控制与角分辨光电子能谱技术相结合，对四种不同堆叠结构的镍基氧化物薄膜开展系统比较研究。

角分辨光电子能谱是凝聚态物理研究中的利器，可以直接观测材料中电子的能量和动量分布。科学家们形象地将其比喻为给电子运动拍"照片"的"超级相机"。

识别决定超导的关键"电子基因"

通过精密测量和系统分析，研究人员取得了一项重要发现：在能够超导的几种结构中，布里渊区顶角附近都存在一个由γ能带形成的费米口袋；而在不超导的结构中，这一关键特征并不存在。

这一发现从实验上明确了原子堆叠构型、电子能带与超导电性之间的关联，识别出了决定超导发生与否的"电子基因"。这为揭示镍基高温超导的微观机制提供了明确的实验证据。

建立三类高温超导体系统比较研究基础

镍基、铜基、铁基这三类高温超导体具有不同的电子结构特征。对它们进行系统比较研究，将有助于人类最终破解高温超导这一重大科学难题。

这一突破为建立三类高温超导体的系统比较研究框架奠定了基础，有望推动整个高温超导领域的理论突破。


【应用前景】

能源输运领域

超导材料的零电阻特性使其在能源输运领域具有广阔的应用前景。如果能够实现常温超导，电力传输将几乎没有任何损耗，全球电网的效率将得到质的飞跃。

镍基超导材料的突破为未来更高效的超导线材和超导电缆研发提供了更多可能性。虽然目前的50K临界温度仍需要液氦或液氮冷却，但每一次温度的提升都是向实用化迈进的重要一步。

精密探测领域

超导材料制成的超导量子干涉仪（SQUID）是目前最灵敏的磁场探测器，可用于医学成像、地质勘探、材料缺陷检测等领域。镍基超导材料的新发现有望推动超导探测器性能的进一步提升。

信息技术领域

超导电子器件具有功耗低、速度快、抗辐射等优点，在高性能计算领域具有重要价值。镍基超导材料的突破为开发新型超导电子器件提供了更多材料选择。

量子计算领域

超导量子比特是目前最主流的量子计算实现方案之一。镍基超导材料的新发现为理解超导量子比特的物理机制提供了新的视角，有望推动量子计算技术的进一步发展。


【总结】

南方科技大学与中国科学技术大学的合作研究团队，成功创制出两种全新的常压镍基高温超导材料，起始转变温度分别达到50K和46K。这一突破具有三重重要意义：

第一，在材料制备技术层面，"强氧化原子逐层外延"技术的成功研发，为破解多类氧化物材料的缺氧难题提供了新的解决思路；

第二，在材料性能层面，两种全新镍基超导材料的成功创制，证明了人类可以在原子层面"设计"并"制造"全新的超导体；

第三，在基础科学层面，电子能带与超导电性关联的发现，为揭示高温超导微观机制提供了关键实验证据。

镍基、铜基、铁基三类高温超导体的系统比较研究，将帮助科学家最终破解高温超导这一困扰物理学界百年的重大科学难题。这一成果不仅将为能源、信息和量子计算等未来技术发展奠定科学基础，也充分展示了我国科学家在高温超导研究领域的创新能力和国际竞争力。


【信息来源】

[央视新闻：两种全新常压镍基超导材料问世！我国科学家重要突破]
(http://m.toutiao.com/group/7626408578634498623/)