中國高溫超導新突破登Nature，薛其坤院士領銜，南方科大成果

基爾西 發自 凹非寺

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中國高溫超導，再迎新突破！

南方科技大學校長薛其坤院士領銜的團隊，最新研究成果加急發表在了Nature。

不同於經典的銅或鐵基超導，這項成果首次讓鎳基化合物突破了麥美倫極限（40K）。

團隊新研發的鎳基材料超導起始轉變溫度達到了45K（-229℃），並且成功觀測到了「零電阻」和「抗磁性」的雙重特徵。

在其背後，通過三年多的攻關，團隊研發出了一種新的薄膜生長技術，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的一次重大跨越。

鎳基材料突破麥美倫極限

在這項研究中，實現常壓高溫超導的材料是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（中山大學王猛教授團隊2023年發現的高溫超導材料）。

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超導薄膜。

其中La的15%被Pr取代。薄膜呈四方晶體結構，NiO2面內有約2%的壓縮應變。

（註：La=鑭，Pr=鐠，Ni=鎳，Sr=鍶，Al=鋁）

這種材料在鎳基材料當中，首次突破了麥美倫極限。

1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer三人以近自由電子模型為基礎提出了BCS理論，從微觀上解釋了常規金屬及合金超導體的機制。

根據電子-聲子強耦合情形下的BCS理論，麥美倫等人基於當時發現的一些超導體的實驗數據進行經驗外推，提出常壓下超導體的臨界轉變溫度不能高於40K（-233℃），這被稱為「麥美倫極限」。

後來，銅基和鐵基材料均突破了麥美倫極限，這次的鎳基材料在常壓下的臨界溫度也達到了45K（-229℃）。

電阻率隨溫度變化曲線表明，La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜在20K（-253℃）以下，電阻率逐漸趨於零，接近BKT（Berezinskii–Kosterlitz–Thouless）相變的行為，而超導轉變起始溫度為45K。

磁學上，研究團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，表明體系進入真正的超導態。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體在結構和電子態方面的異同。

據此，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致高溫超導的關鍵，為後續研究提供了參考。

在納米尺度上「搭原子積木」

不僅最終成果是一項重大突破，在材料的製備上，La2.85Pr0.15Ni2O7也蘊含了大量創新。

繼銅基和鐵基之後，鎳基超導材料「異軍突起」，並且之前已經實現了高壓低溫超導，但是擺脫高壓限制依然是一大難關。

為了突破這一難題，研究團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，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超導薄膜。

首先，研究團隊將預處理過的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。

然後通入高純氧氣和臭氧，使襯底表面處於3-5Pa臭氧和7Pa氧氣背景的強氧化環境中。

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實時監測，生長完成後，在臭氧氣氛中快速冷卻樣品，並退火處理以優化薄膜質量。

這種方法的特點是能夠對生長過程進行原子層次的精確控制，化學計量比精確可控。

在該方法下，La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜展現出優異的層狀生長模式，並且界面陡峭、無雜質。

團隊平均年齡28歲

本項目由南方科技大學校長薛其坤院士、超導機理實驗室陳卓昱副教授領銜。

薛其坤1984年從山東大學光學系激光專業畢業，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，薛其坤擔任清華大學物理系教授，11月當選中科院院士，然後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擔任校長。

2024年，61歲的薛其坤獲得了2023年度國家最高科學技術獎，是該獎項迄今為止最年輕的獲獎者。