中国科学家在全球率先发现全新高温超导体系

北京7月13日消息 北京时间7月12日晚上11点，《自然》杂志（Nature）刊登中山大学王猛教授团队主导的科学成果：首次发现液氮温区镍氧化物超导体。

这是中国科学家在全球率先发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，是基础研究领域“从0到1”的突破，将有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能，实现更广泛更大规模的产业化应用。

三年磨一剑发现镍基高温超导体

在中山大学广州校区南校园哲生堂物理学院的实验室，王猛教授团队向我们展示了一根几厘米的黑色料棒。这正是本次发现的“新星”——高温超导新材料La？Ni？O？单晶样品。这根看似“朴实无华”的料棒，凝聚的是团队数年的心血。

“La？Ni？O？生长条件极为苛刻，平均价态为2.5价，偏离Ni的稳定价态正2价，氧压范围窄，研究团队花了两年多的时间，才摸索出生长条件，长出来高质量单晶样品。”王猛教授介绍。

更残酷的是，没有人能够预言，新材料一定能够带来新的突破。高温超导研究没有成熟的理论指引，存在很大的不确定性。自1986年铜氧化物超导电性发现后，科学家就在镍等过渡金属化合物中探索超导电性。然而，近40年的研究，镍基氧化物超导电性并未有突破性进展。

“没有人知道终点在哪里，如果知道，我们就可以设计一条达到终点的路径，但基础研究就是解锁未知，而未知就是充满了不确定性。”王猛说。

幸运的是，这一次，团队成功了。团队将La？Ni？O？单晶材料在中山大学高压实验研究平台以及华南理工大学、中国科学院物理研究所、北京同步辐射装置开展实验研究，很快确定了其在压力下转变为超导体，超导转变温度达到液氮温区，高达80K（开尔文）。

近40年来物理学中最重要的科学问题之一

超导材料具有绝对零电阻、完全抗磁性和宏观量子隧穿效应的特殊性质，因此具有重要的科学和应用价值。自发现以来，已产生了5个相关的诺贝尔奖。

中国科学家也因超导领域的突破两次获得国家自然科学一等奖，以及一次国家最高科学技术奖。

1986年，科学家首次发现铜氧化物超导材料，随后包括中国科学家在内的多国科学家将其超导温度提升到了液氮温区（77开尔文，即零下196摄氏度）。液氮的廉价和易得，推动了铜氧化物高温超导材料在信息技术、生物医学、科学仪器、电力、交通运输等领域的应用。

2008年，日本科学家在一种铁砷基材料中发现了超导现象。很快，中国科学家合成出多种铁砷材料，将块材超导温度最高提高到55K，并推动了其应用，但未能进入液氮温区。

铜氧化物至此仍是唯一液氮温区的非常规超导材料。“科学家在铜氧化物超导电性研究中掌握了很多实验现象和规律，然而与高温超导的因果关系无法确定。”清华大学教授张广铭说，高温超导的机理至今未知，成为近40年来物理学中最重要的科学问题之一。

而这一次，中国科学家首次发现在液氮温区超导的镍氧化物，意味着为世界超导研究开辟了新领域，将引领超导研究的方向。

这个发现在审稿阶段于科研论文预印平台公布后，迅速受到全球超导领域研究人员广泛关注和跟进研究，在一个月左右的时间里已有十余篇相关理论和实验工作相继公布。论文也得到了《自然》杂志审稿人的高度评价，认为它“具有突出重要性”“是开创性发现”“业内将广泛关注”。

有望破解高温超导机理

“这次发现高温超导的镍氧化物，镍的价态为+2.5价，超出传统预期，其电子结构、磁性与铜氧化物完全不同。通过比较研究，将有可能确定高温超导的关键因素，推动科学家破解高温超导机理。”王猛教授介绍，“根据机理，有望与计算机、AI技术等学科交叉后，设计、合成新的更多的更容易应用的高温超导材料，实现更加广泛的应用。”

本工作由中山大学物理学院教授王猛领导完成。中山大学物理学院副研究员孙华蕾、博士研究生霍梦五为论文的共同第一作者，王猛和清华大学教授张广铭为论文共同通讯作者。实验方面，王猛教授团队得到华南理工大学唐玲云、毛忠泉，中国科学院物理研究所程金光团队，美国亚利桑那州立大学博士韩艺丰支持；理论方面中山大学教授姚道新和博士研究生胡训武开展了基于密度泛函理论的材料结构和能带计算，清华大学张广铭教授提出了一个理解实验和计算结果的物理图像。

“中山大学自2017年开始建设物理学院公共科研平台，为团队的材料生长和表征实验创造了一流的条件。”王猛说，中山大学建设的中子谱仪，也即将助力团队对材料进行进一步研究，推动机理的解决。

团队已经在进一步探索的路上。“目前，我们的超导材料，需要14GPa压力下才能实现，这会限制对超导机理的研究以及广泛应用。研究团队目前正在攻关，希望生长出常压下达到液氮温区超导的镍氧化物超导体。”王猛说。