中山大學王猛教授團隊在國際上率先發(fā)現(xiàn)鎳基高溫超導體

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 李建平 張紫欣 記者 劉盾）近日，《自然》雜志（Nature）刊登中山大學王猛教授團隊主導的科學成果：首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導體。這是中國科學家在全球率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導體系，是人類目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導材料，是基礎研究領域“從0到1”的突破，將有望推動破解高溫超導機理，使設計和預測高溫超導材料成為可能，實現(xiàn)更廣泛更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應用。

在中山大學廣州校區(qū)南校園哲生堂物理學院的實驗室，王猛教授團隊展示了一根幾厘米的黑色料棒——高溫超導新材料La3Ni2O7單晶樣品。這根看似“樸實無華”的料棒，卻凝聚了團隊數(shù)年的心血。

“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，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?！蓖趺徒榻B說。

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?！皼]有人知道終點在哪里，如果知道，我們就可以設計一條達到終點的路徑，但基礎研究就是解鎖未知，而未知就是充滿了不確定性?！蓖趺驼f。

這一次，團隊成功了。團隊將La3Ni2O7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）。

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。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。

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域，將引領超導研究的方向。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域研究人員廣泛關注和跟進研究，在一個月左右的時間里，已有十余篇相關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)將廣泛關注”。

“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鍵因素，推動科學家破解高溫超導機理。”王猛介紹，“根據(jù)機理，有望與計算機、AI技術(shù)等學科交叉后，設計、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?！?/p>

“中山大學自2017年開始建設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，中山大學建設的中子譜儀，也將助力團隊對材料進行進一步研究，推動機理的解決。

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，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?！蓖趺驼f。