薛其坤院士領(lǐng)銜！碩士生一作！南科大最新Nature，全員中文署名。鎳基高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域獲得重大突破

2026年4月，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》再次見證了中國超導(dǎo)研究的高光時(shí)刻。南方科技大學(xué)薛其坤院士、陳卓昱副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈大偉教授團(tuán)隊(duì)，成功創(chuàng)制出兩種全新的常壓鎳基高溫超導(dǎo)材料，并在原子層面揭示了超導(dǎo)發(fā)生的"電子密碼"。這不僅是材料科學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展，更標(biāo)志著人類向破解高溫超導(dǎo)機(jī)理這一百年難題邁出了關(guān)鍵一步。

一、從"不可能"到"可能"：原子級工程技術(shù)的破局

超導(dǎo)材料的研究始終面臨一個(gè)根本性矛盾：實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)所需的高氧化狀態(tài)，與材料穩(wěn)定生長所需的條件相互沖突。氧化程度不足，超導(dǎo)無法出現(xiàn)；過度氧化，材料結(jié)構(gòu)又難以穩(wěn)定存在。

面對這一世界級難題，中國科學(xué)家選擇了一條獨(dú)特的技術(shù)路徑——自主研發(fā)"強(qiáng)氧化原子逐層外延"技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的精妙之處在于，它能夠在超強(qiáng)氧化環(huán)境下，對材料生長過程進(jìn)行原子級精準(zhǔn)操控。形象地說，科學(xué)家如同在納米世界中搭建"原子積木"，可以按照預(yù)先設(shè)計(jì)的藍(lán)圖，精確排列鑭、鐠、鎳等原子的堆疊順序，在構(gòu)建材料結(jié)構(gòu)的同時(shí)完成充分氧化。

正是憑借這項(xiàng)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)首先將純雙層結(jié)構(gòu)鎳基薄膜的常壓超導(dǎo)起始溫度從45開爾文提升至63開爾文，創(chuàng)下該體系的新紀(jì)錄。隨后，他們更進(jìn)一步，按人工設(shè)計(jì)的原子堆疊方案，精確合成出三種全新的鎳基超結(jié)構(gòu)材料。

二、四種"積木"的對比實(shí)驗(yàn)：結(jié)構(gòu)決定性能

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了四種不同的原子堆疊結(jié)構(gòu)，如同四種不同的"積木搭法"：

第一種是單層-雙層交替結(jié)構(gòu)（1212），第二種是純雙層結(jié)構(gòu)（2222），第三種是單層-三層交替結(jié)構(gòu)（1313），第四種是雙層-三層交替結(jié)構(gòu)（2323）。四種結(jié)構(gòu)在相同的SrLaAlO?襯底上生長，稀土位點(diǎn)均采用鑭與鐠2:1的比例，確保了實(shí)驗(yàn)的可比性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出鮮明的規(guī)律性：1212、2222和2323三種結(jié)構(gòu)均觀測到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，起始溫度分別約為50開爾文、50開爾文和46開爾文，均超過了麥克米蘭極限（約40開爾文）。其中2323結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出獨(dú)特的兩步超導(dǎo)轉(zhuǎn)變特征。而1313結(jié)構(gòu)盡管化學(xué)組成與其他樣品相同，卻未顯示任何超導(dǎo)跡象，僅表現(xiàn)出金屬行為。

這一對比深刻揭示了高溫超導(dǎo)的一個(gè)核心規(guī)律：超導(dǎo)電性的出現(xiàn)并非單純由化學(xué)成分決定，而是強(qiáng)烈依賴于原子的堆疊方式，即材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

三、捕捉"電子基因"：角分辨光電子能譜的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

為了理解為何結(jié)構(gòu)差異會導(dǎo)致超導(dǎo)性能的巨大差別，研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用角分辨光電子能譜技術(shù)，直接觀測材料中電子的能量和動量分布。這項(xiàng)技術(shù)如同一臺"電子顯微鏡"，能夠看清材料內(nèi)部電子運(yùn)動的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵規(guī)律：在所有超導(dǎo)樣品中，布里淵區(qū)頂角附近都存在一個(gè)由γ能帶形成的費(fèi)米口袋；而在不超導(dǎo)的1313結(jié)構(gòu)中，這一特征完全缺失——γ能帶呈現(xiàn)平帶特征，帶頂位于費(fèi)米能級以下約70毫電子伏特處。

進(jìn)一步分析表明，α和β能帶與鎳的d_x2-y2軌道相關(guān)，而γ能帶則與d_z2軌道相關(guān)。正是d_z2軌道的參與，為鎳基超導(dǎo)體引入了銅基超導(dǎo)體所不具備的新自由度。在2323這一特殊結(jié)構(gòu)中，研究團(tuán)隊(duì)甚至同時(shí)觀測到兩種γ能帶：來自雙層結(jié)構(gòu)單元的γII能帶形成費(fèi)米口袋，來自三層結(jié)構(gòu)單元的γIII能帶則位于費(fèi)米能級以下。這種"雙重性格"很可能與觀察到的兩步超導(dǎo)轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。

這一發(fā)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)上建立了原子堆疊構(gòu)型、電子能帶結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)電性之間的直接關(guān)聯(lián)，識別出了決定超導(dǎo)發(fā)生與否的關(guān)鍵"電子基因"。

四、年輕力量的崛起：科研團(tuán)隊(duì)的背后

值得關(guān)注的是，這項(xiàng)重磅成果的第一完成單位是南方科技大學(xué)量子功能材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室于2024年獲科技部批準(zhǔn)建設(shè)，匯聚了一支170余人規(guī)模的高水平科研團(tuán)隊(duì)，45歲以下青年科研人員占比超過70%。

論文的共同第一作者中，南方科技大學(xué)碩士生聶子豪排名第一。這位本科畢業(yè)于深圳大學(xué)物理學(xué)專業(yè)的"95后"，2023年6月加入陳卓昱課題組，在碩士階段便以共同第一作者身份發(fā)表了兩篇《自然》論文。在團(tuán)隊(duì)2025年2月發(fā)表的前一項(xiàng)成果中，當(dāng)時(shí)碩士二年級的聶子豪已是共同第一作者之一。這種青年人才的快速成長和擔(dān)綱主力，展現(xiàn)了中國科研梯隊(duì)建設(shè)的活力。

通訊作者團(tuán)隊(duì)同樣呈現(xiàn)老中青結(jié)合的特點(diǎn)。薛其坤院士作為最年輕的國家最高科學(xué)技術(shù)獎得主，長期深耕超導(dǎo)領(lǐng)域；"90后"陳卓昱副教授師從鎳基超導(dǎo)先驅(qū)Harold Y. Hwang，2022年回國加入南方科技大學(xué)；李鵬助理研究員和沈大偉教授分別在超導(dǎo)機(jī)理和角分辨光電子能譜技術(shù)方面具有深厚積累。這種跨代際、跨機(jī)構(gòu)的合作模式，成為重大科研成果產(chǎn)出的重要保障。

五、從實(shí)驗(yàn)室到未來：高溫超導(dǎo)的機(jī)理之路

此次研究的意義遠(yuǎn)超材料發(fā)現(xiàn)本身。它首次在實(shí)驗(yàn)上明確了鎳基高溫超導(dǎo)中結(jié)構(gòu)-電子態(tài)-超導(dǎo)電性的關(guān)聯(lián)規(guī)律，為建立完整的理論框架提供了不可或缺的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)指出，既然1313結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)缺失源于γ能帶未形成費(fèi)米口袋，那么通過進(jìn)一步調(diào)控外延應(yīng)變、化學(xué)替代或施加壓力，完全有可能誘導(dǎo)該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。這不僅意味著鎳基超導(dǎo)家族還將繼續(xù)擴(kuò)容，更暗示著通過理性設(shè)計(jì)而非盲目試錯(cuò)來尋找更高轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)材料的可能性。

從銅基到鐵基，再到如今的鎳基，高溫超導(dǎo)研究已走過三十余年歷程。每一次新材料的發(fā)現(xiàn)都伴隨著對機(jī)理的深入理解，而每一次機(jī)理的突破又指引著新材料的探索。中國科學(xué)家在這一領(lǐng)域的持續(xù)貢獻(xiàn)，正在逐步改變?nèi)虺瑢?dǎo)研究的格局。

結(jié)語

在納米世界里"搭積木"，在電子能帶中"找密碼"——中國科學(xué)家用原創(chuàng)技術(shù)和系統(tǒng)研究，為高溫超導(dǎo)這一世紀(jì)難題提供了新的解題思路。兩種全新超導(dǎo)材料的誕生，不僅是材料科學(xué)的勝利，更是人類理性認(rèn)知自然規(guī)律的見證。隨著量子功能材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺的建設(shè)完善，我們有理由期待，在破解高溫超導(dǎo)機(jī)理、推動超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的征程上，中國力量將扮演越來越重要的角色。