中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鎳基高溫超導(dǎo)體，或徹底揭秘高溫超導(dǎo)機理!

北京時間7月12日晚11點，《Nature》雜志以題“Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure”發(fā)布了一項令人興奮的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體，有望破解高溫超導(dǎo)機理。

這項研究工作由中山大學(xué)物理學(xué)院的王猛教授領(lǐng)導(dǎo)完成。中山大學(xué)物理學(xué)院的孫華蕾副研究員和霍夢五博士研究生是論文的共同第一作者，王猛教授和清華大學(xué)的張廣銘教授是共同通訊作者。在實驗方面，王猛教授團隊得到了華南理工大學(xué)的唐玲云和毛忠泉，中國科學(xué)院物理研究所的程金光團隊，以及美國亞利桑那州立大學(xué)的博士生韓藝豐的支持。在理論方面，中山大學(xué)的姚道新教授和博士研究生胡訓(xùn)武進行了基于密度泛函理論的材料結(jié)構(gòu)和能帶計算，清華大學(xué)的張廣銘教授提出了一個理解實驗和計算結(jié)果的物理圖像。

這是全球范圍內(nèi)中國科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)的液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，代表著基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一次突破。這項發(fā)現(xiàn)有望推動高溫超導(dǎo)機理的破解，讓人們有可能設(shè)計和預(yù)測更多高溫超導(dǎo)材料，實現(xiàn)更廣泛、更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

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”。超導(dǎo)材料因其絕對零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應(yīng)的特殊性質(zhì)而備受關(guān)注，具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價值。自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)涌現(xiàn)出5個與之相關(guān)的諾貝爾獎。中國科學(xué)家在超導(dǎo)領(lǐng)域的突破也兩次獲得國家自然科學(xué)一等獎以及一次國家最高科學(xué)技術(shù)獎。

1986年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了銅氧化物超導(dǎo)材料，并隨后將其超導(dǎo)溫度提高到液氮溫區(qū)（77開爾文，即零下196攝氏度），由于液氮的廉價和易得，銅氧化物高溫超導(dǎo)材料在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器、電力、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

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。隨后，中國科學(xué)家合成了多種鐵砷材料，并將其塊材超導(dǎo)溫度提高到最高55K，推動了其應(yīng)用，但未能進入液氮溫區(qū)。

銅氧化物至今仍然是唯一液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料?！翱茖W(xué)家在銅氧化物超導(dǎo)電性研究中積累了大量實驗現(xiàn)象和規(guī)律，然而與高溫超導(dǎo)機理之間的因果關(guān)系仍然無法確定?！鼻迦A大學(xué)教授張廣銘表示，高溫超導(dǎo)機理至今未解，成為近40年來物理學(xué)領(lǐng)域最重要的科學(xué)問題之一。

而這一次，中國科學(xué)家首次在液氮溫區(qū)發(fā)現(xiàn)了鎳氧化物超導(dǎo)體，開辟了全新的超導(dǎo)研究領(lǐng)域，將引領(lǐng)超導(dǎo)研究的方向。下圖展示的正是本次發(fā)現(xiàn)的“新星”——高溫超導(dǎo)新材料La?Ni?O?單晶樣品。這根看似普通的料棒，蘊含著團隊多年的心血與努力。

具體而言，研究人員通過高壓電阻和互感磁化率測量觀察了La3Ni2O7單晶的超導(dǎo)特征，最大Tc為80K，壓力在14.0?43.5 GPa之間。高壓下的超導(dǎo)相呈現(xiàn)出Fmmm空間群的斜方結(jié)構(gòu)，其中Ni陽離子的3dx2?y2和3dz2軌道與氧2p軌道強烈混合。密度泛函理論計算表明，超導(dǎo)性的出現(xiàn)與費米能級下σ鍵帶的金屬化同時發(fā)生，該帶由3dz2軌道和連接Ni-O雙層的頂氧組成。因此，該發(fā)現(xiàn)不僅揭示了Ruddlesden-Popper雙層鈣鈦礦鎳鹽中高溫超導(dǎo)性的重要線索，而且還提供了一個新的化合物家族來研究高溫超導(dǎo)機制。

值得一提的是，La?Ni?O?的生長條件極為苛刻，其平均價態(tài)為2.5價，超出了傳統(tǒng)的Ni正2價穩(wěn)定價態(tài)，而且氧壓范圍非常窄。研究團隊花了兩年多的時間，才摸索出了生長條件，獲得了高質(zhì)量的單晶樣品。

然而，沒有人能夠預(yù)料到這種新材料是否能帶來新的突破。高溫超導(dǎo)研究一直缺乏成熟的理論指導(dǎo)，存在很大的不確定性。

王猛教授堅信：基礎(chǔ)研究就是為了解鎖未知，而未知充滿了不確定性。沒有人知道這個研究的終點在哪里。

幸運的是，這一次團隊取得了成功。他們在中山大學(xué)高壓實驗研究平臺、華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所和北京同步輻射裝置進行了一系列實驗研究，很快確定了La?Ni?O?在高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，并且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達80K（開爾文），處于液氮溫區(qū)。

王猛說，接下來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)機理的解決?！耙坏┟鞔_機理，便可以借助人工智能等技術(shù)設(shè)計新的高溫超導(dǎo)材料，有望使零損耗的超導(dǎo)輸電、更為輕便的核磁共振成像儀等成為現(xiàn)實”。