封面新聞記者 邊雪

1911年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯在液氦極低溫環境下首次發現汞的超導現象，開啟了人類對零電阻材料的探索。

此后的百年間，科學家們不斷刷新超導臨界溫度（Tc）的紀錄：1986年銅氧化物超導體的發現將Tc提升至液氮溫區（77K），2008年突破“麥克米蘭極限”——傳統BCS理論預測40K的鐵基超導體的出現再次引發熱潮。2019年鎳基氧化物超導的出現，又使高溫超導材料家族增加了一個新成員。由于需要10多萬大氣壓的高壓條件，使它的研究和應用受到了限制。

2月18日，南方科技大學薛其坤院士團隊宣布最新科研突破：他們在常壓環境下實現了鎳氧化物薄膜超過“麥克米蘭極限”（40K以上）的超導電性，使鎳基材料成為常壓下繼銅基、鐵基之后的第三類高溫超導體系。

這項發表于《自然》雜志的突破性研究，不僅刷新了超導材料家族圖譜，更是在鎳基體系中驗證了高溫超導的普適性，為破解高溫超導機理這一“凝聚態物理圣杯”提供了關鍵拼圖。

這項跨越世紀的科學長征中，中國科學家正從跟跑者轉變為領航者。正如諾貝爾物理學獎得主安東尼·萊格特所言：“誰解開高溫超導之謎，誰就掌握了21世紀能源革命的鑰匙。”此刻，這把鑰匙已初現東方。

2月19日，封面新聞記者專訪了薛其坤院士及研發團隊主要成員。采訪中，薛其坤院士透露了團隊的三步走規劃：“進一步提高材料質量，探索新的異質結體系，探索研究銅、鐵、鎳體系在超導機理上可能的統一模型，探索基于薄膜材料的電子學應用。”

這項源自中國實驗室的原始創新，正在為人類打開一扇通往超導新時代的大門。

原子級工程：強氧化外延技術突破材料桎梏

“就像在颶風中搭建樂高積木。”團隊核心成員陳卓昱副教授如此形容研究的技術挑戰。鎳超導氧化物在常壓下會因晶格畸變導致電子態失穩，傳統制備方法始終無法獲得純凈的晶體結構。

陳卓昱告訴封面新聞記者，研究團隊歷時三年攻關，自主研發出“強氧化原子逐層外延”技術，通過構建常規條件一萬倍的局部超強氧化環境，在原子級平整的鈦酸鍶基片上實現鎳、氧等原子的精確堆砌。

該技術突破三大技術瓶頸：采用分子束外延結合脈沖激光沉積，在納米尺度精確調控每層原子的化學計量比；創新性引入“原子鉚釘”界面工程，利用基片與薄膜的晶格應力固定亞穩態結構；開發原位同步輻射表征系統，實時監測薄膜生長過程的電子結構演變。最終制備出厚度僅3.2納米、表面粗糙度小于0.1納米的單晶薄膜，其結構穩定性比傳統方法提升兩個數量級。

電子強關聯體系的新認知

實驗數據顯示，該鎳氧化物在常壓下的超導轉變溫度達45K，且具備典型高溫超導體的特征：相圖中存在贗能隙區、超導態伴隨反鐵磁漲落等。這些現象強烈暗示，其超導機制可能與銅基材料共享某種普適的電子強關聯物理機制。

“鎳與銅同處元素周期表相鄰位置，但鎳的3d軌道多一個電子，這為研究電子填充數對超導的影響提供了絕佳對照樣本。” 陳卓昱副教授解釋道，研究團隊通過角分辨光電子能譜（ARPES）發現，鎳氧化物中存在著與銅基超導體相似的費米面嵌套現象，且超導態出現時伴隨電荷密度波漲落的抑制。“這些發現為統一銅、鐵、鎳三大高溫超導體系的理論模型提供了實驗支點。”

從量子計算到能源網絡的未來圖景

此次突破帶來的不僅是科學認知的革新，更孕育著顛覆性技術變革。鎳基材料相比銅基體系具有以下潛在優勢。

首先，全球鎳礦年產量超300萬噸，原料儲量豐富。其次，鎳基材料機械強度高，可加工成柔性超導帶材。

此外，鎳基材料化學穩定性好，無需復雜封裝即可在空氣中長期保存。南科大團隊表示，正與華為2012實驗室合作開發基于該材料的低損耗微波器件，有望降低5G基站的能耗。

由于采用了薄膜制備技術，這非常有利于發展基于鎳基超導的超導電子學器件。同時，為全面表征其物理特別是超導特性，深入研究超導機理奠定了堅實的材料基礎。

據薛其坤院士介紹，本次試驗中國團隊全部采用國產儀器，發展了獨特的強氧化能力薄膜生長技術，成功獲得了晶體質量更高的薄膜材料，為我國在超導乃至量子材料領域的長期自主發展奠定了堅實基礎。

《自然》雜志的評審專家給出“突破性進展”的高度評價，在同行內也引起了全球的廣泛關注。