近日，《自然》雜志（Nature）刊登中山大學(xué)王猛教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的科學(xué)成果：首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。這是中國(guó)科學(xué)家在全球率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系，是人類(lèi)目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的突破，將有望推動(dòng)破解高溫超導(dǎo)機(jī)理，使設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)高溫超導(dǎo)材料成為可能，實(shí)現(xiàn)更廣泛更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

在中山大學(xué)廣州校區(qū)南校園哲生堂物理學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室，王猛教授團(tuán)隊(duì)展示了一根幾厘米的黑色料棒——高溫超導(dǎo)新材料La3Ni2O7單晶樣品。這根看似“樸實(shí)無(wú)華”的料棒，卻凝聚了團(tuán)隊(duì)數(shù)年的心血。

“La3Ni2O7生長(zhǎng)條件極為苛刻，平均價(jià)態(tài)為2.5價(jià)，偏離Ni的穩(wěn)定價(jià)態(tài)正2價(jià)，氧壓范圍窄，研究團(tuán)隊(duì)花了兩年多的時(shí)間，才摸索出生長(zhǎng)條件，長(zhǎng)出來(lái)高質(zhì)量單晶樣品。”王猛介紹說(shuō)。

高溫超導(dǎo)研究沒(méi)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(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家就在鎳等過(guò)渡金屬化合物中探索超導(dǎo)電性。然而，近40年的研究，鎳基氧化物超導(dǎo)電性并未有突破性進(jìn)展。“沒(méi)有人知道終點(diǎn)在哪里，如果知道，我們就可以設(shè)計(jì)一條達(dá)到終點(diǎn)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。”王猛說(shuō)。

這一次，團(tuán)隊(duì)成功了。團(tuán)隊(duì)將La3Ni2O7單晶材料在中山大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)以及華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京同步輻射裝置開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，很快確定了其在壓力下轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到液氮溫區(qū)，高達(dá)80K（開(kāi)爾文）。

超導(dǎo)材料具有絕對(duì)零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應(yīng)的特殊性質(zhì)，因此具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。1986年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)材料，隨后包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家將其超導(dǎo)溫度提升到了液氮溫區(qū)（77開(kāi)爾文，即零下196攝氏度）。液氮的廉價(jià)和易得，推動(dòng)了銅氧化物高溫超導(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(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(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。很快，中國(guó)科學(xué)家合成出多種鐵砷材料，將塊材超導(dǎo)溫度最高提高到55K，并推動(dòng)了其應(yīng)用，但未能進(jìn)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(dǎo)材料。“科學(xué)家在銅氧化物超導(dǎo)電性研究中掌握了很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律，然而與高溫超導(dǎo)的因果關(guān)系無(wú)法確定。”清華大學(xué)教授張廣銘說(shuō)，高溫超導(dǎo)的機(jī)理至今未知，成為近40年來(lái)物理學(xué)中最重要的科學(xué)問(wèn)題之一。

這一次，中國(guó)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物，意味著為世界超導(dǎo)研究開(kāi)辟了新領(lǐng)域，將引領(lǐng)超導(dǎo)研究的方向。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在審稿階段于科研論文預(yù)印平臺(tái)公布后，迅速受到全球超導(dǎo)領(lǐng)域研究人員廣泛關(guān)注和跟進(jìn)研究，在一個(gè)月左右的時(shí)間里，已有十余篇相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)工作相繼公布。論文也得到了《自然》雜志審稿人的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為它“具有突出重要性”“是開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)”“業(yè)內(nèi)將廣泛關(guān)注”。

“這次發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的鎳氧化物，鎳的價(jià)態(tài)為+2.5價(jià)，超出傳統(tǒng)預(yù)期，其電子結(jié)構(gòu)、磁性與銅氧化物完全不同。通過(guò)比較研究，將有可能確定高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素，推動(dòng)科學(xué)家破解高溫超導(dǎo)機(jī)理。”王猛介紹，“根據(jù)機(jī)理，有望與計(jì)算機(jī)、AI技術(shù)等學(xué)科交叉后，設(shè)計(jì)、合成新的更多的更容易應(yīng)用的高溫超導(dǎo)材料，實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。”

“中山大學(xué)自2017年開(kāi)始建設(shè)物理學(xué)院公共科研平臺(tái)，為團(tuán)隊(duì)的材料生長(zhǎng)和表征實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了一流的條件。”王猛說(shuō)，中山大學(xué)建設(shè)的中子譜儀，也將助力團(tuán)隊(duì)對(duì)材料進(jìn)行進(jìn)一步研究，推動(dòng)機(jī)理的解決。

團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在進(jìn)一步探索的路上。“目前，我們的超導(dǎo)材料，需要14GPa壓力下才能實(shí)現(xiàn)，這會(huì)限制對(duì)超導(dǎo)機(jī)理的研究以及廣泛應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)目前正在攻關(guān)，希望生長(zhǎng)出常壓下達(dá)到液氮溫區(qū)超導(dǎo)的鎳氧化物超導(dǎo)體。”王猛說(shuō)。