科學家發現首個液氮溫區鎳氧化物高溫超導體

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7月12日，《自然》雜志在線刊登了中山大學物理學院教授王猛團隊與合作者最新研究成果：發現首個液氮溫區鎳氧化物高溫超導體。據介紹，該材料成為繼1986年發現的銅氧化物高溫超導體之后第二類進入液氮溫區的氧化物高溫超導體。

“在全新的體系中發現了液氮溫區的超導電性，這超出了我們的預期。”論文共同通訊作者、中山大學物理學院教授王猛對《中國科學報》表示，團隊合成了一種鎳氧化物單晶并首次在14GPa壓力下發現80K（零下193攝氏度）的超導電性。

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中山大學物理學院教授王猛展示鎳氧化物La3Ni2O7單晶。李建平 攝

《自然》雜志審稿人給予該項工作高度評價，認為它“具有突出重要性”“是開創性發現”“業內將廣泛關注”。

從0到1重大突破

100多年前，科學家發現了特定低溫下汞的電阻為零，這種現象被稱為“超級導電”。因零電阻、抗磁性的顯著特點，超導體在信息技術、生物醫學、科學儀器等眾多領域有廣闊的應用前景，但現在超導體只有在低溫中才能發生超導現象，其大規模應用嚴重受限。

1986年，荷蘭科學家發現銅氧化物超導體，超導轉變溫度超過液氮溫度77K（零下196攝氏度）。2008年，日本科學家在一種鐵砷基材料中發現了超導現象。很快，中國科學家合成出多種鐵砷材料，將塊才超導溫度最高提高到55K，并推動了其應用，但未能進入液氮溫區。

超導材料具有絕對零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應的特殊性質，因此具有重要的科學和應用價值。經過近40年的研究，銅氧化物仍然是唯一進入液氮溫區的非常規超導體，其超導機理仍未知，全球科學家一直致力于尋找非常規超導材料并解決高溫超導機理。

“科學家在銅氧化物超導電性研究中掌握了很多實驗現象和規律，然而與高溫超導的因果關系無法確定。”論文共同通訊作者、清華大學教授張廣銘指出，高溫超導的機理至今未知，成為近40年來物理學中最重要的科學問題之一。

“沒有人知道終點在哪里，如果知道，我們就可以設計一條達到終點的路徑，但基礎研究就是解鎖未知，而未知就是充滿了不確定性。”王猛表示，沒有人能夠預言，新材料一定能夠帶來新的突破。

幸運的是，這一次，王猛團隊成功了。他們首次發現在液氮溫區超導的鎳氧化物，意味著為世界超導研究開辟了新領域，將引領超導研究的方向。

記者了解到，該研究發現是基礎研究領域“從0到1”的突破，將有望推動破解高溫超導機理，使設計和預測高溫超導材料成為可能，實現更廣泛更大規模的產業化應用。

三年磨一劍

在中山大學廣州校區南校園哲生堂物理學院的實驗室，王猛團隊向我們展示了一根幾厘米的黑色料棒。這正是本次發現的“新星”——高溫超導新材料La3Ni2O7單晶樣品。這根看似“樸實無華”的料棒，凝聚的是團隊數年的心血。

三年多來，王猛團隊通過不斷摸索條件合成了高質量的鎳氧化物（La3Ni2O7）體系單晶樣品，并在國際上率先進行了系統研究。“合成鎳氧化物單晶樣品后，我們證明它在超過14吉帕的壓力下出現了80K的高溫超導電性。”

“La3Ni2O7生長條件極為苛刻，平均價態為2.5價，偏離Ni的穩定價態正2價，氧壓范圍窄，研究團隊花了兩年多的時間，才摸索出生長條件，長出來高質量單晶樣品。”王猛介紹。

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中山大學物理學院博士生霍夢五在介紹團隊開發情況。朱嘉豪 攝

論文共同第一作者、中山大學物理學院博士生霍夢五表示，高壓研究技術復雜，研究周期長。研究團隊花費一年多的時間通過系統研究不同鎳氧化物材料體系，最終在La3Ni2O7單晶中發現壓力下達到80K的高溫超導電性。

據霍夢五介紹，此次發現的鎳氧化物是人類目前已知的第二個達到液氮溫區的非常規超導體系，科學家可以在新的材料體系中進行超導機理和應用研究。

“液氮的制備成本比礦泉水還低，超過液氮溫度也意味著超導材料需要的低溫環境更容易獲得，因而也具有更大的應用潛力。”王猛說，接下來還將對銅氧化物和鎳氧化物高溫超導體的共性開展研究，進一步推動高溫超導機理的解決。 

有望破解高溫超導機理

王猛團隊將La3Ni2O7單晶材料在中山大學高壓實驗研究平臺以及華南理工大學、中國科學院物理研究所、北京同步輻射裝置開展實驗研究，很快確定了其在壓力下轉變為超導體，超導轉變溫度達到液氮溫區，高達80K。

“這次發現高溫超導的鎳氧化物，鎳的價態為+2.5價，超出傳統預期，其電子結構、磁性與銅氧化物完全不同。通過比較研究，將有可能確定高溫超導的關鍵因素，推動科學家破解高溫超導機理。”王猛介紹，“根據機理，有望與計算機、AI技術等學科交叉后，設計、合成新的更多的更容易應用的高溫超導材料，實現更加廣泛的應用。

“中山大學自2017年開始建設物理學院公共科研平臺，為團隊的材料生長和表征實驗創造了一流的條件。”王猛說，中山大學建設的中子譜儀，也即將助力團隊對材料進行進一步研究，推動機理的解決。

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中山大學物理學院教授王猛指導學生。伍鈞浩 攝

“目前，我們的超導材料，需要14GPa壓力下才能實現，這會限制對超導機理的研究以及廣泛應用。研究團隊目前正在攻關，希望生長出常壓下達到液氮溫區超導的鎳氧化物超導體。”王猛說。

張廣銘表示，鎳基氧化物超導體具有不同于銅氧高溫超導體的晶體結構和電子結構，新的發現為我們理解高溫超導的機理帶來了很多重要的啟示，將有助于破解高溫超導的微觀機理，使設計和預測高溫超導材料成為可能，并在液氮溫區實現超導材料的廣泛應用。

目前，王猛團隊已接到來自全世界的科學家對樣品合作研究的申請，可以預見，鎳氧化物高溫超導研究將迎來新一波熱潮。