我國科學(xué)家在鎳基高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域再獲重要突破。南方科技大學(xué)量子功能材料全國重點實驗室和物理系、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心薛其坤—陳卓昱團(tuán)隊，與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈大偉團(tuán)隊等合作，近日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表最新研究成果：團(tuán)隊在極端氧化條件下，通過人工設(shè)計原子堆疊序列，成功創(chuàng)制出兩種全新的常壓鎳基高溫超導(dǎo)材料；與此同時，借助角分辨光電子能譜技術(shù)，研究人員識別出與超導(dǎo)態(tài)密切相關(guān)的關(guān)鍵電子能帶結(jié)構(gòu)，為揭示鎳基高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了重要實驗依據(jù)。

像“搭積木”一樣

在原子層面設(shè)計并構(gòu)造全新超導(dǎo)體

超導(dǎo)，是指材料在特定條件下電阻完全消失、電流可以無損耗流動的現(xiàn)象。高溫超導(dǎo)研究則是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的前沿問題之一。繼銅基、鐵基高溫超導(dǎo)體之后，鎳基材料被認(rèn)為是有望幫助科學(xué)家進(jìn)一步理解高溫超導(dǎo)機(jī)理的第三類重要體系。對這一體系的深入研究，不僅關(guān)系基礎(chǔ)科學(xué)前沿，也被認(rèn)為將為未來能源輸運、精密探測、信息技術(shù)和量子計算等領(lǐng)域帶來重要啟發(fā)。

不過，鎳基超導(dǎo)材料的研究長期面臨一個核心難題：實現(xiàn)超導(dǎo)所必需的高氧化狀態(tài)，與材料穩(wěn)定生長所需要的條件彼此沖突。這就好比要同時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，傳統(tǒng)方法很難兼顧。

針對這一難題，研究團(tuán)隊自主研發(fā)出“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)。該技術(shù)能夠在超強(qiáng)氧化環(huán)境下，對材料生長過程進(jìn)行原子級精準(zhǔn)操控，使薄膜在生長過程中同時完成結(jié)構(gòu)構(gòu)建與充分氧化。這如同在納米世界中，逐層搭建“原子積木”，科學(xué)家可以按照預(yù)先設(shè)計好的藍(lán)圖，精確排列鑭、鐠、鎳等原子，從而構(gòu)建出一系列高質(zhì)量鎳基氧化物薄膜。研究人員表示，這種在極端氧化條件下實現(xiàn)原子級工程操控的能力，不僅為鎳基超導(dǎo)研究提供了獨特的實驗平臺，也為破解多類氧化物材料的缺氧難題提供了新的解決思路。

憑借這一技術(shù)，團(tuán)隊先將此前發(fā)現(xiàn)的純雙層結(jié)構(gòu)鎳基薄膜的常壓超導(dǎo)起始溫度從45開爾文提升到63開爾文；隨后，又按人工設(shè)計的原子堆疊方案，精確合成出三種全新的鎳基超結(jié)構(gòu)材料，其中兩種材料，在常壓下實現(xiàn)了高溫超導(dǎo)，起始轉(zhuǎn)變溫度分別達(dá)到50開爾文和46開爾文。這意味著，研究團(tuán)隊不僅提升了已知材料的性能，還進(jìn)一步創(chuàng)制出自然界中原本不存在的新型超導(dǎo)材料。

“看清”超導(dǎo)電子的能量動量結(jié)構(gòu)

為破解高溫超導(dǎo)難題提供關(guān)鍵鑰匙

發(fā)現(xiàn)新材料只是第一步，理解“為什么會超導(dǎo)”才是更關(guān)鍵的科學(xué)問題。為此，研究團(tuán)隊將原子級精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)控制與角分辨光電子能譜技術(shù)相結(jié)合，對四種不同堆疊結(jié)構(gòu)的鎳基氧化物薄膜開展系統(tǒng)比較研究。

角分辨光電子能譜可以直接觀測材料中電子的能量和動量分布，被形象地稱為給電子運動拍“照片”的“超級相機(jī)”。研究發(fā)現(xiàn)，在能夠超導(dǎo)的幾種結(jié)構(gòu)中，布里淵區(qū)頂角附近都存在一個由γ能帶形成的費米口袋；而在不超導(dǎo)的結(jié)構(gòu)中，這一關(guān)鍵特征并不存在。

這一發(fā)現(xiàn)從實驗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)制提供了明確的實驗證據(jù)。

研究人員認(rèn)為，鎳基、銅基、鐵基三類高溫超導(dǎo)體具有不同的電子結(jié)構(gòu)特征，對它們進(jìn)行系統(tǒng)比較研究，將有助于人類最終破解高溫超導(dǎo)這一重大科學(xué)難題，并為能源、信息和量子計算等未來技術(shù)發(fā)展奠定科學(xué)基礎(chǔ)。