南方科技大學(xué)量子功能材料全國重點(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），識別出了超導(dǎo)態(tài)對應(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）薄膜生長技術(shù)在新型量子材料創(chuàng)制領(lǐng)域的國際引領(lǐng)地位，也體現(xiàn)了我國在高溫超導(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，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)營造出超強(qiáng)的氧化氛圍，開辟出一個(gè)極端非平衡的生長區(qū)間，使薄膜在生長過程中一步完成結(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工程能力，代表了氧化物薄膜外延生長領(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，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)（簡稱1212，化學(xué)式為：（La,Pr)5Ni3O11/SrLaAlO4）、單層-三層超結(jié)構(gòu)（簡稱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)氧化氛圍下對材料進(jìn)行原子級精度操控的卓越能力。

“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好比一臺能夠“拍攝”材料內(nèi)部電子運(yùn)動狀態(tài)的超級相機(jī)，可以直接觀測電子的能量-動量狀態(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。

錨定量子科技前沿，量子功能材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)新突破

量子功能材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱“實(shí)驗(yàn)室”）作為第一完成單位，以重大科學(xué)問題牽引聯(lián)合攻關(guān)，充分體現(xiàn)了“有組織科研”在啃基礎(chǔ)研究“硬骨頭”時(shí)的核心驅(qū)動力。該實(shí)驗(yàn)室由南方科技大學(xué)牽頭，聯(lián)合上?？萍即髮W(xué)共同組建，于2024年獲科技部批準(zhǔn)建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室面向國家在量子科技領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略需求，定位于應(yīng)用基礎(chǔ)研究，聚焦量子功能材料的智能設(shè)計(jì)、原子級精準(zhǔn)制備及基于大科學(xué)裝置的全自由度超高分辨表征研究，致力于推動量子功能材料在信息與能源領(lǐng)域的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)室匯聚了一支由戰(zhàn)略科學(xué)家領(lǐng)銜，170余人規(guī)模的高水平科研團(tuán)隊(duì)。實(shí)驗(yàn)室由賈金鋒院士擔(dān)任主任，林君浩教授擔(dān)任常務(wù)副主任，核心成員包括2位中國科學(xué)院院士及90余位國家級高層次人才，45歲以下青年科研人員占比超過70%。2025年，實(shí)驗(yàn)室有6人獲國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（A類）支持（其中1人獲延續(xù)項(xiàng)目支持），獲批國家級科研項(xiàng)目32項(xiàng)、省部級科研項(xiàng)目9項(xiàng)、重大橫向項(xiàng)目3項(xiàng)，科技經(jīng)費(fèi)總計(jì)逾6000萬元；團(tuán)隊(duì)成員2025年累計(jì)在Nature等國際頂尖期刊發(fā)表SCI論文59篇，授權(quán)專利16項(xiàng)、在審專利50項(xiàng)。

自實(shí)驗(yàn)室組建以來，已參與取得多項(xiàng)重大成果突破，有力支撐和引領(lǐng)我國量子科技的發(fā)展。包括2025年發(fā)表在Nature的成果“常壓下鎳氧化物的高溫超導(dǎo)電性”，2025年發(fā)表于Nature的“自旋空間群理論與非常規(guī)磁性”研究，以及本次發(fā)表的“鎳氧化物超結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)與電子結(jié)構(gòu)研究”等。此外，實(shí)驗(yàn)室還取得了多項(xiàng)成果：在二維二硒化鈀（PdSe2）中首次揭示了一種傳統(tǒng)固體相變中前所未有的“潛伏相變”行為；提出了一種在A型反鐵磁中表征與操控奈爾序的有效方法，為層狀材料中反鐵磁態(tài)的調(diào)控提供了通用途徑；創(chuàng)新開發(fā)出一種新型準(zhǔn)固態(tài)離子熱電循環(huán)（t-ITC）系統(tǒng)；創(chuàng)新性引入單光子計(jì)數(shù)（SPC）、電激發(fā)－光激發(fā)（EL-PL）聯(lián)合測試等技術(shù)追蹤電子在QLED中的輸運(yùn)路徑，揭示QLED穩(wěn)定性差和性能衰減與電子泄漏行為之間的內(nèi)在聯(lián)系；利用低劑量電子顯微成像方法解釋了鹵化物鈣鈦礦材料的表面邊緣和內(nèi)部缺陷的原子結(jié)構(gòu)。

目前實(shí)驗(yàn)室布局了四大優(yōu)勢研究方向：材料設(shè)計(jì)與計(jì)算、材料制備與調(diào)控、大科學(xué)裝置與材料表征、材料功能與器件。實(shí)驗(yàn)室通過整合南科大、上科大兩所新型研究型大學(xué)優(yōu)勢學(xué)科資源及頂尖科研力量，并實(shí)現(xiàn)深滬兩地X射線自由電子激光、同步輻射光源、材料基因組等大科學(xué)裝置的優(yōu)勢互補(bǔ)，助力國家級重大項(xiàng)目取得突破，合力打造量子材料研究領(lǐng)域的國家戰(zhàn)略科技力量。

編輯、審核：石瑾鵬

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