中国科学家发现镍基高温超导体，或彻底揭秘高温超导机理!北京时间7月12日晚11点，《Nature》杂志以题“Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure”发布了一项令人兴奋的科学发现。中国科学家发现液氮温区镍氧化物超导体，有望破解高温超导机理。这项研究工作由中山大学物理学院的王猛教授领导完成。中山大学物理学院的孙华蕾副研究员和霍梦五博士研究生是论文的共同第一作者，王猛教授和清华大学的张广铭教授是共同通讯作者。在实验方面，王猛教授团队得到了华南理工大学的唐玲云和毛忠泉，中国科学院物理研究所的程金光团队，以及美国亚利桑那州立大学的博士生韩艺丰的支持。在理论方面，中山大学的姚道新教授和博士研究生胡训武进行了基于密度泛函理论的材料结构和能带计算，清华大学的张广铭教授提出了一个理解实验和计算结果的物理图像。
这是全球范围内中国科学家首次发现的液氮温区非常规超导材料，代表着基础研究领域的一次突破。这项发现有望推动高温超导机理的破解，让人们有可能设计和预测更多高温超导材料，实现更广泛、更大规模的产业化应用。 100多年前，科学家发现了特定低温下汞的电阻为零，这种现象被称为“超级导电”。超导材料因其绝对零电阻、完全抗磁性和宏观量子隧穿效应的特殊性质而备受关注，具有重要的科学和应用价值。自超导现象被发现以来，已经涌现出5个与之相关的诺贝尔奖。中国科学家在超导领域的突破也两次获得国家自然科学一等奖以及一次国家最高科学技术奖。 1986年，科学家首次发现了铜氧化物超导材料，并随后将其超导温度提高到液氮温区（77开尔文，即零下196摄氏度），由于液氮的廉价和易得，铜氧化物高温超导材料在信息技术、生物医学、科学仪器、电力、交通运输等领域得到了广泛应用。 2008年，日本科学家在一种铁砷基材料中发现了超导现象。随后，中国科学家合成了多种铁砷材料，并将其块材超导温度提高到最高55K，推动了其应用，但未能进入液氮温区。 铜氧化物至今仍然是唯一液氮温区非常规超导材料。“科学家在铜氧化物超导电性研究中积累了大量实验现象和规律，然而与高温超导机理之间的因果关系仍然无法确定。”清华大学教授张广铭表示，高温超导机理至今未解，成为近40年来物理学领域最重要的科学问题之一。
典型超导材料 而这一次，中国科学家首次在液氮温区发现了镍氧化物超导体，开辟了全新的超导研究领域，将引领超导研究的方向。下图展示的正是本次发现的“新星”——高温超导新材料La₃Ni₂O₇单晶样品。这根看似普通的料棒，蕴含着团队多年的心血与努力。
镍氧化物La3Ni2O7单晶 具体而言，研究人员通过高压电阻和互感磁化率测量观察了La3Ni2O7单晶的超导特征，最大Tc为80K，压力在14.0−43.5 GPa之间。高压下的超导相呈现出Fmmm空间群的斜方结构，其中Ni阳离子的3dx2−y2和3dz2轨道与氧2p轨道强烈混合。密度泛函理论计算表明，超导性的出现与费米能级下σ键带的金属化同时发生，该带由3dz2轨道和连接Ni-O双层的顶氧组成。因此，该发现不仅揭示了Ruddlesden-Popper双层钙钛矿镍盐中高温超导性的重要线索，而且还提供了一个新的化合物家族来研究高温超导机制。
图 1. 加压La3Ni2O7的结构表征
图 2. La3Ni2O7在1.6和29.5 GPa下的密度泛函理论计算
图 3. La3Ni2O7单晶在压力下的超导转变
图 4. La3Ni2O7单晶高温超导相图 值得一提的是，La₃Ni₂O₇的生长条件极为苛刻，其平均价态为2.5价，超出了传统的Ni正2价稳定价态，而且氧压范围非常窄。研究团队花了两年多的时间，才摸索出了生长条件，获得了高质量的单晶样品。 然而，没有人能够预料到这种新材料是否能带来新的突破。高温超导研究一直缺乏成熟的理论指导，存在很大的不确定性。 王猛教授坚信：基础研究就是为了解锁未知，而未知充满了不确定性。没有人知道这个研究的终点在哪里。 幸运的是，这一次团队取得了成功。他们在中山大学高压实验研究平台、华南理工大学、中国科学院物理研究所和北京同步辐射装置进行了一系列实验研究，很快确定了La₃Ni₂O₇在高压下转变为超导体，并且超导转变温度高达80K（开尔文），处于液氮温区。 王猛说，接下来还将对铜氧化物和镍氧化物高温超导体的共性开展研究，进一步推动高温超导机理的解决。“一旦明确机理，便可以借助人工智能等技术设计新的高温超导材料，有望使零损耗的超导输电、更为轻便的核磁共振成像仪等成为现实”。
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