南方科技大學(xué)量子功能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和物理系、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、清華大學(xué)薛其坤-陳卓昱團(tuán)隊(duì)，與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈大偉團(tuán)隊(duì)等合作，在常壓鎳基高溫超導(dǎo)領(lǐng)域再獲突破。

團(tuán)隊(duì)2026年4月8日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature發(fā)表最新研究成果，在極端氧化條件下通過人工設(shè)計(jì)原子堆疊序列，創(chuàng)制出單層-雙層超結(jié)構(gòu)和雙層-三層超結(jié)構(gòu)兩種全新常壓高溫超導(dǎo)體；與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還結(jié)合角分辨光電子能譜（ARPES），識(shí)別出了超導(dǎo)態(tài)對(duì)應(yīng)的電子能帶結(jié)構(gòu)，為破解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

此前，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)產(chǎn)學(xué)術(shù)期刊National Science Review上報(bào)道，已將純雙層結(jié)構(gòu)薄膜的常壓超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度大幅提升至60 K以上。

上述成果是在2024年末同一團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并確立常壓鎳基高溫超導(dǎo)電性（2025年發(fā)表于Nature）的基礎(chǔ)上取得的重要進(jìn)展。從實(shí)現(xiàn)常壓鎳基高溫超導(dǎo)，到提升超導(dǎo)性能，再到人工創(chuàng)制全新超導(dǎo)材料并揭示其電子結(jié)構(gòu)起源，這一系列突破彰顯了自主研發(fā)的“強(qiáng)氧化原子逐層外延”（GAE, 2025年發(fā)表于National Science Review）薄膜生長(zhǎng)技術(shù)在新型量子材料創(chuàng)制領(lǐng)域的國(guó)際引領(lǐng)地位，也體現(xiàn)了我國(guó)在高溫超導(dǎo)這一前沿科研方向上的持續(xù)自主創(chuàng)新能力。

像“搭積木”一樣

在原子層面設(shè)計(jì)并構(gòu)造全新超導(dǎo)體

高溫超導(dǎo)是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的研究前沿之一。繼銅基和鐵基高溫超導(dǎo)體之后，鎳基材料被認(rèn)為是有希望揭示高溫超導(dǎo)機(jī)理的第三類體系。然而，鎳基超導(dǎo)材料的合成與控制面臨一個(gè)根本性的矛盾：實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)所必需的高度氧化狀態(tài)，與實(shí)現(xiàn)晶格穩(wěn)定生長(zhǎng)之間存在熱力學(xué)沖突。這就好比要同時(shí)燒制瓷器的瓷胎和釉面——瓷胎成型需要溫和穩(wěn)定的環(huán)境，釉面顯色則需要猛火強(qiáng)氧，兩道工序的條件針鋒相對(duì)，傳統(tǒng)方法很難兼顧。

研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“強(qiáng)氧化原子逐層外延”（GAE）技術(shù)，巧妙地破解了這一難題。該技術(shù)營(yíng)造出超強(qiáng)的氧化氛圍，開辟出一個(gè)極端非平衡的生長(zhǎng)區(qū)間，使薄膜在生長(zhǎng)過程中一步完成結(jié)構(gòu)構(gòu)建與充分氧化。這如同在納米世界中，一邊逐層搭建“原子積木”，一邊實(shí)時(shí)鎖定每一層的化學(xué)狀態(tài)，按照人工設(shè)計(jì)的藍(lán)圖，精確排列鑭、鐠、鎳等原子，從而構(gòu)建出從純雙層到復(fù)雜超結(jié)構(gòu)等一系列晶體質(zhì)量趨于完美的超導(dǎo)薄膜。這種在超強(qiáng)氧化條件下的原子級(jí)工程能力，代表了氧化物薄膜外延生長(zhǎng)領(lǐng)域的技術(shù)跨越，不僅為鎳基超導(dǎo)研究提供了獨(dú)一無二的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也為破解各類氧化物材料的缺氧難題提供了全新的解決思路。

憑借這一技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)先是將去年發(fā)現(xiàn)的純雙層結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱2222，化學(xué)式為：(La,Pr)3Ni2O7/SrLaAlO4，其中SrLaAlO4為基底材料）超導(dǎo)薄膜的常壓超導(dǎo)起始溫度從此前的約45 K推升至63 K，零電阻溫度和抗磁性亦均大幅提升；又按照人工設(shè)計(jì)的原子堆疊藍(lán)圖，精確合成出單層-雙層超結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱1212，化學(xué)式為：（La,Pr)5Ni3O11/SrLaAlO4）、單層-三層超結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱1313，化學(xué)式為：(La,Pr)3Ni2O7，該超結(jié)構(gòu)與2222具有相同的化學(xué)式但結(jié)構(gòu)不同）、和雙層-三層超結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱2323，化學(xué)式為：(La,Pr)7Ni5O17/SrLaAlO4）三種全新的鎳基超結(jié)構(gòu)材料，并發(fā)現(xiàn)1212和2323在常壓下可實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)，起始轉(zhuǎn)變溫度分別達(dá)到50 K和46 K，均突破了傳統(tǒng)超導(dǎo)理論中的"麥克米蘭極限"，而1313僅呈現(xiàn)金屬性。從提升已知材料的超導(dǎo)溫度，到創(chuàng)制自然界中不存在的全新超導(dǎo)體，這一步步跨越充分體現(xiàn)了GAE技術(shù)在超強(qiáng)氧化氛圍下對(duì)材料進(jìn)行原子級(jí)精度操控的卓越能力。

“看清”超導(dǎo)電子的能量動(dòng)量結(jié)構(gòu)

為破解高溫超導(dǎo)難題提供關(guān)鍵鑰匙

發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)體只是第一步，理解超導(dǎo)從何而來才是核心目標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)將原子級(jí)精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)控制與角分辨光電子能譜（ARPES）相結(jié)合，對(duì)四種不同堆疊結(jié)構(gòu)1212、2222、1313和2323的鎳基氧化物薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)的比較研究。

ARPES好比一臺(tái)能夠“拍攝”材料內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的超級(jí)相機(jī)，可以直接觀測(cè)電子的能量-動(dòng)量狀態(tài)分布。研究發(fā)現(xiàn)，在超導(dǎo)的1212、2222和2323結(jié)構(gòu)中，布里淵區(qū)頂角附近均存在一個(gè)被稱為γ能帶形成的費(fèi)米口袋；而在不超導(dǎo)的1313結(jié)構(gòu)中，這一γ能帶則未能形成費(fèi)米口袋。這一發(fā)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)上表明了原子堆疊構(gòu)型、電子能帶與超導(dǎo)電性之間的關(guān)聯(lián)，識(shí)別出了決定超導(dǎo)發(fā)生與否的“電子基因”，為揭示鎳基高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)制提供了明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

四種鎳基超結(jié)構(gòu)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)（上）、電輸運(yùn)性質(zhì)（中）和費(fèi)米面拓?fù)洌ㄏ拢?/p>

從自主研發(fā)極端條件下的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，到創(chuàng)制自然界不存在的全新超導(dǎo)材料，再到利用先進(jìn)譜學(xué)手段揭示超導(dǎo)態(tài)的電子結(jié)構(gòu)起源——這一系列成果展現(xiàn)了一條從技術(shù)突破、材料創(chuàng)制到物理機(jī)理探索的完整創(chuàng)新鏈條。鎳基超導(dǎo)體與銅基、鐵基超導(dǎo)體具有不同的電子結(jié)構(gòu)特征，三者的對(duì)比研究將為最終破解高溫超導(dǎo)這一世紀(jì)難題提供關(guān)鍵鑰匙，也將為能源、信息、量子計(jì)算等領(lǐng)域的未來技術(shù)變革奠定科學(xué)基石。

本研究第一完成單位為南方科技大學(xué)量子功能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與物理系。南科大碩士生聶子豪、研究助理教授李月瑩、博士生呂威、博士生徐立智，以及中科大博士后江志誠(chéng)為本文共同第一作者。中科大沈大偉教授、量子中心李鵬助理研究員、薛其坤院士、南科大副教授/量子中心雙聘研究員陳卓昱為共同通訊作者。文章作者還包括賈金鋒院士，以及南科大教授/量子中心雙聘研究員林君浩。

來源：南方科技大學(xué)