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三年磨一劍 中大發(fā)現(xiàn)鎳基高溫超導體

在中山大學廣州校區(qū)南校園哲生堂物理學院的實驗室，王猛教授團隊向我們展示了一根幾厘米的黑色料棒。這正是本次發(fā)現(xiàn)的“新星”——高溫超導新材料La?Ni?O?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。

王猛教授展示鎳氧化物La3Ni2O7單晶

“La?Ni?O?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，研究團隊花了兩年多的時間，才摸索出生長條件，長出來高質(zhì)量單晶樣品?！蓖趺徒淌诮榻B。

王猛教授團隊學生在操作光學浮區(qū)爐

更殘酷的是，沒有人能夠預言，新材料一定能夠帶來新的突破。高溫超導研究沒有成熟的理論指引，存在很大的不確定性。自1986年銅氧化物超導電性發(fā)現(xiàn)后，科學家就在鎳等過渡金屬化合物中探索超導電性。然而，近40年的研究，鎳基氧化物超導電性并未有突破性進展。

論文共同第一作者、中山大學物理學院博士生霍夢五在介紹團隊生長的各種材料

“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，但基礎(chǔ)研究就是解鎖未知，而未知就是充滿了不確定性?！蓖趺驼f。

王猛教授指導學生

幸運的是，這一次，團隊成功了。團隊將La?Ni?O?單晶材料在中山大學高壓實驗研究平臺以及華南理工大學、中國科學院物理研究所、北京同步輻射裝置開展實驗研究，很快確定了其在壓力下轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢w，超導轉(zhuǎn)變溫度達到液氮溫區(qū)，高達80K（開爾文）。

王猛教授對材料進行綜合物性測量

La3Ni2O7單晶樣品高壓下的電阻、抗磁性及超導上臨界磁場擬合

近40年來物理學中最重要的科學問題之一

超導材料具有絕對零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應的特殊性質(zhì)，因此具有重要的科學和應用價值。自發(fā)現(xiàn)以來，已產(chǎn)生了5個相關(guān)的諾貝爾獎。

中國科學家也因超導領(lǐng)域的突破兩次獲得國家自然科學一等獎，以及一次國家最高科學技術(shù)獎。

1986年，科學家首次發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導材料，隨后包括中國科學家在內(nèi)的多國科學家將其超導溫度提升到了液氮溫區(qū)（77開爾文，即零下196攝氏度）。液氮的廉價和易得，推動了銅氧化物高溫超導材料在信息技術(shù)、生物醫(yī)學、科學儀器、電力、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應用。

2008年，日本科學家在一種鐵砷基材料中發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象。很快，中國科學家合成出多種鐵砷材料，將塊材超導溫度最高提高到55K，并推動了其應用，但未能進入液氮溫區(qū)。

銅氧化物至此仍是唯一液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導材料?！翱茖W家在銅氧化物超導電性研究中掌握了很多實驗現(xiàn)象和規(guī)律，然而與高溫超導的因果關(guān)系無法確定?！鼻迦A大學教授張廣銘說，高溫超導的機理至今未知，成為近40年來物理學中最重要的科學問題之一。

而這一次，中國科學家首次發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)超導的鎳氧化物，意味著為世界超導研究開辟了新領(lǐng)域，將引領(lǐng)超導研究的方向。

這個發(fā)現(xiàn)在審稿階段于科研論文預印平臺公布后，迅速受到全球超導領(lǐng)域研究人員廣泛關(guān)注和跟進研究，在一個月左右的時間里已有十余篇相關(guān)理論和實驗工作相繼公布。論文也得到了《自然》雜志審稿人的高度評價，認為它“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”。

有望破解高溫超導機理

“這次發(fā)現(xiàn)高溫超導的鎳氧化物，鎳的價態(tài)為+2.5價，超出傳統(tǒng)預期，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的關(guān)鍵因素，推動科學家破解高溫超導機理。”王猛教授介紹，“根據(jù)機理，有望與計算機、AI技術(shù)等學科交叉后，設(shè)計、合成新的更多的更容易應用的高溫超導材料，實現(xiàn)更加廣泛的應用。”

王猛教授團隊開組會

本工作由中山大學物理學院教授王猛領(lǐng)導完成。中山大學物理學院副研究員孫華蕾、博士研究生霍夢五為論文的共同第一作者，王猛和清華大學教授張廣銘為論文共同通訊作者。實驗方面，王猛教授團隊得到華南理工大學唐玲云、毛忠泉，中國科學院物理研究所程金光團隊，美國亞利桑那州立大學博士韓藝豐支持；理論方面中山大學教授姚道新和博士研究生胡訓武開展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。

論文共同第一作者、中山大學物理學院特聘副研究員孫華蕾在進行實驗

“中山大學自2017年開始建設(shè)物理學院公共科研平臺，為團隊的材料生長和表征實驗創(chuàng)造了一流的條件?！蓖趺驼f，中山大學建設(shè)的中子譜儀，也即將助力團隊對材料進行進一步研究，推動機理的解決。

霍夢五在操作光學浮區(qū)爐

團隊已經(jīng)在進一步探索的路上。“目前，我們的超導材料，需要14GPa壓力下才能實現(xiàn)，這會限制對超導機理的研究以及廣泛應用。研究團隊目前正在攻關(guān)，希望生長出常壓下達到液氮溫區(qū)超導的鎳氧化物超導體。”王猛說。