中国科学家在镍基高温超导研究领域再获重要突破。南方科技大学量子功能材料全国重点实验室和物理系、粤港澳大湾区量子科学中心薛其坤—陈卓昱团队，与中国科学技术大学沈大伟团队等合作，近日在国际学术期刊《自然》发表最新研究成果：团队在极端氧化条件下，通过人工设计原子堆叠序列，成功创制出两种全新的常压镍基高温超导材料；与此同时，借助角分辨光电子能谱技术，研究人员识别出与超导态密切相关的关键电子能带结构，为揭示镍基高温超导机理提供了重要实验依据。

像“搭积木”一样

在原子层面设计并构造全新超导体

超导，是指材料在特定条件下电阻完全消失、电流可以无损耗流动的现象。高温超导研究则是凝聚态物理领域最重要的前沿问题之一。继铜基、铁基高温超导体之后，镍基材料被认为是有望帮助科学家进一步理解高温超导机理的第三类重要体系。对这一体系的深入研究，不仅关系基础科学前沿，也被认为将为未来能源输运、精密探测、信息技术和量子计算等领域带来重要启发。

不过，镍基超导材料的研究长期面临一个核心难题：实现超导所必需的高氧化状态，与材料稳定生长所需要的条件彼此冲突。这就好比要同时烧制瓷器的瓷胎和釉面——瓷胎成型需要温和稳定的环境，釉面显色则需要猛火强氧，两道工序的条件针锋相对，传统方法很难兼顾。

针对这一难题，研究团队自主研发出“强氧化原子逐层外延”技术。该技术能够在超强氧化环境下，对材料生长过程进行原子级精准操控，使薄膜在生长过程中同时完成结构构建与充分氧化。这如同在纳米世界中，逐层搭建“原子积木”，科学家可以按照预先设计好的蓝图，精确排列镧、镨、镍等原子，从而构建出一系列高质量镍基氧化物薄膜。研究人员表示，这种在极端氧化条件下实现原子级工程操控的能力，不仅为镍基超导研究提供了独特的实验平台，也为破解多类氧化物材料的缺氧难题提供了新的解决思路。

凭借这一技术，团队先将此前发现的纯双层结构镍基薄膜的常压超导起始温度从45开尔文提升到63开尔文；随后，又按人工设计的原子堆叠方案，精确合成出三种全新的镍基超结构材料，其中两种材料，在常压下实现了高温超导，起始转变温度分别达到50开尔文和46开尔文。这意味着，研究团队不仅提升了已知材料的性能，还进一步创制出自然界中原本不存在的新型超导材料。

“看清”超导电子的能量动量结构

为破解高温超导难题提供关键钥匙

发现新材料只是第一步，理解“为什么会超导”才是更关键的科学问题。为此，研究团队将原子级精准结构控制与角分辨光电子能谱技术相结合，对四种不同堆叠结构的镍基氧化物薄膜开展系统比较研究。

角分辨光电子能谱可以直接观测材料中电子的能量和动量分布，被形象地称为给电子运动拍“照片”的“超级相机”。研究发现，在能够超导的几种结构中，布里渊区顶角附近都存在一个由γ能带形成的费米口袋；而在不超导的结构中，这一关键特征并不存在。

这一发现从实验上表明了原子堆叠构型、电子能带与超导电性之间的关联，识别出了决定超导发生与否的“电子基因”，为揭示镍基高温超导的微观机制提供了明确的实验证据。

研究人员认为，镍基、铜基、铁基三类高温超导体具有不同的电子结构特征，对它们进行系统比较研究，将有助于人类最终破解高温超导这一重大科学难题，并为能源、信息和量子计算等未来技术发展奠定科学基础。