此前，微信公眾號“中山大學(xué)”率先官宣：7月12日晚上11點，《自然》雜志（Nature）刊登該校王猛教授團隊主導(dǎo)的科學(xué)成果——首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體?！吨袊茖W(xué)報》今日也刊登文章，介紹了這一成果。全文如下：

日前，《自然》在線刊登了中山大學(xué)物理學(xué)院教授王猛團隊主導(dǎo)的研究成果——發(fā)現(xiàn)首個液氮溫區(qū)鎳氧化物高溫超導(dǎo)體。據(jù)介紹，該材料成為繼1986年發(fā)現(xiàn)的銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后第二個進入液氮溫區(qū)的氧化物高溫超導(dǎo)體。

“在全新的體系中發(fā)現(xiàn)了液氮溫區(qū)的超導(dǎo)電性，超出了我們的預(yù)期。”論文共同通訊作者、中山大學(xué)物理學(xué)院教授王猛對《中國科學(xué)報》表示，團隊合成了一種鎳氧化物單晶并首次在14GPa壓力下出現(xiàn)了80K的高溫超導(dǎo)電性。

《自然》雜志審稿人認(rèn)為，該發(fā)現(xiàn)“具有突出重要性”“是開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)”“業(yè)內(nèi)將廣泛關(guān)注”。

王猛展示鎳氧化物L(fēng)a3Ni2O7單晶。李建平/攝

發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)體

100多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了特定低溫下汞的電阻為零，這種現(xiàn)象被稱為“超級導(dǎo)電”。因零電阻、抗磁性的顯著特點，超導(dǎo)體在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但現(xiàn)在超導(dǎo)體只有在低溫中才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象，其大規(guī)模應(yīng)用嚴(yán)重受限。

1986年，荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過液氮溫度77K。2008年，日本科學(xué)家在一種鐵砷基材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。很快，中國科學(xué)家合成多種鐵砷材料，將塊材超導(dǎo)溫度提高到最高55K，并推動了其應(yīng)用，但未能進入液氮溫區(qū)。

超導(dǎo)材料具有絕對零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應(yīng)的特殊性質(zhì)，因此具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價值。經(jīng)過近40年的研究，銅氧化物仍然是唯一進入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)體，其超導(dǎo)機理仍未知，全球科學(xué)家一直致力于尋找非常規(guī)超導(dǎo)材料并揭示高溫超導(dǎo)機理。

“科學(xué)家在銅氧化物超導(dǎo)電性研究中發(fā)現(xiàn)了很多實驗現(xiàn)象和規(guī)律，然而與高溫超導(dǎo)的因果關(guān)系無法確定?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⑶迦A大學(xué)教授張廣銘指出，高溫超導(dǎo)的機理至今未知，已成為近40年來物理學(xué)中最重要的科學(xué)問題之一。

“沒有人知道終點在哪里，如果知道，我們就可以設(shè)計一條達到終點的路徑?；A(chǔ)研究可以解鎖未知，而未知充滿了不確定性?！蓖趺捅硎?，沒有人能夠預(yù)言，新的材料一定能夠帶來新的突破。

幸運的是，王猛團隊這一次成功了。他們首次發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物，意味著將為世界超導(dǎo)研究開辟新領(lǐng)域，引領(lǐng)超導(dǎo)研究的方向。

記者了解到，該研究發(fā)現(xiàn)有望破解高溫超導(dǎo)機理，使設(shè)計和預(yù)測高溫超導(dǎo)材料成為可能，并將實現(xiàn)更廣泛和更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

三年磨一劍

在中山大學(xué)廣州校區(qū)南校園哲生堂物理學(xué)院的實驗室，王猛團隊向記者展示了一根幾厘米長的黑色料棒。這正是本次發(fā)現(xiàn)的“新星”——高溫超導(dǎo)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(shù)年的心血。

3年多來，王猛團隊通過不斷摸索，合成了高質(zhì)量的鎳氧化物體系單晶樣品，并在國際上率先進行了系統(tǒng)研究。“合成鎳氧化物單晶樣品后，我們證明它在超過14GPa的壓力下出現(xiàn)了80K的高溫超導(dǎo)電性。”王猛說。

“La3Ni2O7生長條件極為苛刻，平均價態(tài)為2.5價，偏離Ni的穩(wěn)定價態(tài)正2價，氧壓范圍窄。我們花了兩年多時間，才摸索出其生長條件，長出來高質(zhì)量單晶樣品。”王猛介紹說。

論文共同第一作者、中山大學(xué)物理學(xué)院博士生霍夢五表示，高壓研究技術(shù)復(fù)雜，研究周期長。研究團隊花費一年多時間系統(tǒng)研究不同鎳氧化物材料體系。

據(jù)霍夢五介紹，此次發(fā)現(xiàn)的鎳氧化物是人類目前已知的第二個達到液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)體系，科學(xué)家可以在新的材料體系中進行超導(dǎo)機理和應(yīng)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(dǎo)材料更容易獲得，因而也具有更大的應(yīng)用潛力?！蓖趺驼f，接下來他們還將對銅氧化物和鎳氧化物高溫超導(dǎo)體的共性開展研究，進一步推動高溫超導(dǎo)機理的破解。

有望破解高溫超導(dǎo)機理

王猛團隊在中山大學(xué)高壓實驗研究平臺以及華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、北京同步輻射裝置對La3Ni2O7單晶材料開展實驗研究，很快確定了其在壓力下轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達到液氮溫區(qū)，高達80K。

“這次發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的鎳氧化物，鎳的價態(tài)為正2.5價，超出傳統(tǒng)預(yù)期，其電子結(jié)構(gòu)、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(dǎo)的關(guān)鍵因素，推動科學(xué)家破解高溫超導(dǎo)機理?！蓖趺徒榻B，“根據(jù)機理，有望與計算機、人工智能技術(shù)等學(xué)科交叉后，設(shè)計、合成新的更多、更容易應(yīng)用的高溫超導(dǎo)材料，實現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用?！?

“中山大學(xué)自2017年開始建設(shè)物理學(xué)院公共科研平臺，為團隊的材料生長和表征實驗創(chuàng)造了一流條件?！蓖趺驼f，中山大學(xué)建設(shè)的中子譜儀也將助力團隊對材料進行進一步研究。

“目前，我們的超導(dǎo)材料需要在14GPa壓力下才能實現(xiàn)，這會限制超導(dǎo)機理的研究及其廣泛應(yīng)用。研究團隊目前正在開展攻關(guān)，希望生長出常壓下達到液氮溫區(qū)的鎳氧化物超導(dǎo)體?！蓖趺驼f。

張廣銘表示，鎳基氧化物超導(dǎo)體具有不同于銅氧高溫超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，新發(fā)現(xiàn)為了解高溫超導(dǎo)機理帶來很多重要啟示，有助于破解高溫超導(dǎo)的微觀機理，使設(shè)計和預(yù)測高溫超導(dǎo)材料成為可能，并在液氮溫區(qū)實現(xiàn)超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用。

目前，王猛團隊已收到來自全世界的科學(xué)家對樣品合作研究的申請，可以預(yù)見，鎳氧化物高溫超導(dǎo)研究將迎來新一波熱潮。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7