【顶刊论文解读】超导研究获新突破，中国科学家如何在纳米尺度上“搭积木”？

　　你外出旅游随身携带的充电宝，或许将在未来几十年成为博物馆展品——这不是科幻预言，而是中国科学家最新科研成果带给我们的未来图景。

　　2月18日，一项由国家最高科学技术奖获得者薛其坤院士领衔的南方科技大学、粤港澳大湾区量子科学中心与清华大学联合研究团队的最新突破引发关注，科学家发现了常压下镍氧化物的高温超导电性，为解决高温超导机理的科学难题提供了全新突破口，这一成果在国际学术期刊《自然》上发表。

　　什么是“超导”？

　　超导是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，类似于电力高速公路上的“零能耗跑车”，电流通过时不会产生能量损耗，被广泛认为具有颠覆性的技术前景。

超导现象的两个特性

　　1911年，荷兰物理学家昂内斯发现汞在4.2K（-269℃）时电阻消失，人类首次窥见超导世界。但此后的114年里，科学家们始终被“麦克米兰极限”禁锢——传统理论预言超导临界温度无法突破40K（-233℃）。寻找在常压下突破40开尔文（K）“麦克米兰极限”的更高温度的超导材料，成为国际科学界重要研究方向之一。

　　“超导”研究的“三座大山”

　　理解了超导是什么，我们就不难发现，自1911年昂内斯发现汞的超导现象以来，科学家始终被三大难题困扰：

　　一是极寒牢笼：传统超导材料需在-269℃（液氦温区）才能工作，维持低温消耗的能量远超传输电能；

　　二是高压枷锁：近年发现的富氢化合物虽能在-23℃实现超导，但需要267万倍大气压的极端条件，相当于马里亚纳海沟压力的130倍；

　　三是机理迷雾：此前，铜基和铁基两类材料的超导转变温度突破了“麦克米兰极限”，被称为高温超导体，但高温超导机理复杂如同“量子迷宫”，科学家探索近40年仍未破解。

　　近年来，镍基超导材料“异军突起”。2019年，美国科学家首次在镍基薄膜中观测到超导电性，但其超导温度较低。2023年，我国科学家在超过十万个大气压的高压环境下，实现了镍基材料的液氮温区超导，在国际上引起广泛影响。

　　所以，到这里可以发现，如何摆脱高压限制、实现常压高温超导，正是全球科学家竞相追逐的目标。

　　镍基超导竞争中的“中国方案”

薛其坤与课题组成员在实验室

　　正是瞄准上述目标，薛其坤与南方科技大学物理系副教授陈卓昱率领研究团队，经过3年持续攻关，取得新突破。

　　新突破的第一个关键词正是“常压”：首次在常压条件下实现镍氧化物超导起始温度突破40开尔文（K）（约零下233℃），且观测到零电阻和抗磁性的双重特征。此前镍基超导需依赖极端高压（如十万大气压）才能实现液氮温区超导，而常压突破极大降低了实际应用门槛。这也使得镍基材料由此成为继铜基（1986年）、铁基（2008年）之后，第三类突破40K麦克米兰极限的高温超导体系。

　　再来说本次成果的第二个关键词——“强氧化原子逐层外延”技术。媒体用在纳米尺度上“搭原子积木”来比喻，简单理解，就是在极端强氧化条件下，像搭积木一样逐层堆叠原子。科研团队通过自主研发的设备，在氧化能力比传统方法强上万倍的环境中，精确控制镍、氧等原子的排列，构建出仅几纳米厚（相当于头发丝直径的万分之一）的超薄材料层。

　　在传统材料制备中，氧化物常因氧化不足导致结构缺陷。而新技术通过超强氧化环境，稳定了材料中原本需要高压才能存在的原子结构（如镍的高价态），解决了氧化物“缺氧”问题。这就像用“原子铆钉”固定住原本松散的原子排列，让材料在常压下也能稳定存在。

　　这是氧化物薄膜外延生长技术的一次重大跨越，不仅为包括宽禁带半导体等各类氧化物的缺氧难题提供了解决方案，还极大地拓展了高温超导等强关联电子系统的人工设计与制备。

　　特别值得一提的是，镍基超导研究作为当前国际科学界的前沿热点，全球竞争异常激烈。与美国斯坦福团队同期独立实现常压镍基超导的同时，中国团队全部采用国产仪器，且制备的薄膜晶体质量更高，为后续机理研究提供更优平台。

　　“超导” 和我们的生活有啥关系？

　　自人类发现超导现象以来，这一领域已经产生了5个相关的诺贝尔奖。正如中国科学院物理研究所研究员罗会仟所说，从事超导研究的科学家们，都怀有一个终极的梦想，那就是寻找到可实用化的室温超导材料。

　　所以，如果有朝一日，常压室温超导能实现，它将极大地改变我们的日常生活和工业生产方式。

超导应用领域（图片源自网络）

　　在电力传输和储存方面，超导材料可使电力传输介质接近于零电阻，电能传输损耗趋近于零。在我国，据悉每年电力传输上的损失就高达上千亿度，若换成超导材料，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

　　在交通领域，我们现在坐高铁，北京到上海最快的速度是350千米每小时，高铁试验的速度能达到450千米每小时。用上超导技术，可大幅降低磁悬浮技术成本，高速列车（如时速600公里以上）可能成为主流交通工具，甚至跨城市通勤成为常态。

　　此外，医疗设备和科学研究也将得到显著提升。超导材料可以改进磁共振成像（MRI）设备，加速治疗和诊断的发展，推动生物科学和医学研究的进步。

　　畅想一下，如果超导技术全面普及，你最想改造生活中的哪个场景？

　　【科视评】

　　超导发现涉及凝聚态物理、材料科学等多个学科领域。在新型有组织科研模式下，南方科技大学、粤港澳大湾区量子科学中心、清华大学打破了传统科研各自为战的局限，通过紧密合作、资源共享、优势互补，为解决复杂的科学问题提供了新的思路和方法，充分展示了我国在高温超导前沿领域的原创竞争能力。

　　记者：宋雅娟

　　资料来源：南方科技大学、新华社、中国科学院物理研究所、科普中国等