中国高温超导新突破登Nature，薛其坤院士领衔，南方科大成果

克雷西
2025-02-19
17:23:24

来源：量子位

克雷西 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

中国高温超导，再迎新突破！

南方科技大学校长薛其坤院士领衔的团队，最新研究成果加急发表在了Nature。

不同于经典的铜或铁基超导，这项成果首次让镍基化合物突破了麦克米兰极限（40K）。

团队新研发的镍基材料超导起始转变温度达到了45K（-229℃），并且成功观测到了“零电阻”和“抗磁性”的双重特征。

在其背后，通过三年多的攻关，团队研发出了一种新的薄膜生长技术，克服了双层镍氧化物材料的固有难题。

薛其坤院士介绍，这是氧化物薄膜外延生长技术的一次重大跨越。

镍基材料突破麦克米兰极限

在这项研究中，实现常压高温超导的材料是La2.85Pr0.15Ni2O7，一种稀土元素部分替代的双层镍氧化物，基本材料是La3Ni2O7（中山大学王猛教授团队2023年发现的高温超导材料）。

具体来说，研究者在SrLaAlO4衬底上外延生长了3个晶胞厚的La2.85Pr0.15Ni2O7超导薄膜。

其中La的15%被Pr取代。薄膜呈四方晶体结构，NiO2面内有约2%的压缩应变。

（注：La=镧，Pr=镨，Ni=镍，Sr=锶，Al=铝）

这种材料在镍基材料当中，首次突破了麦克米兰极限。

1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper和J.R.Schrieffer三人以近自由电子模型为基础提出了BCS理论，从微观上解释了常规金属及合金超导体的机制。

根据电子-声子强耦合情形下的BCS理论，麦克米兰等人基于当时发现的一些超导体的实验数据进行经验外推，提出常压下超导体的临界转变温度不能高于40K（-233℃），这被称为“麦克米兰极限”。

后来，铜基和铁基材料均突破了麦克米兰极限，这次的镍基材料在常压下的临界温度也达到了45K（-229℃）。

电阻率随温度变化曲线表明，La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜在20K（-253℃）以下，电阻率逐渐趋于零，接近BKT（Berezinskii–Kosterlitz–Thouless）相变的行为，而超导转变起始温度为45K。

磁学上，研究团队使用互感法直接观测到La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜的迈斯纳抗磁性信号，表明体系进入真正的超导态。迈斯纳温度为8K，与TBKT值一致。

此外，作者对比了双层镍氧化物与无限层镍氧化物和铜氧化物超导体在结构和电子态方面的异同。

据此，作者指出这种材料独特的晶体场分裂和轨道杂化可能是导致高温超导的关键，为后续研究提供了参考。

在纳米尺度上“搭原子积木”

不仅最终成果是一项重大突破，在材料的制备上，La2.85Pr0.15Ni2O7也蕴含了大量创新。

继铜基和铁基之后，镍基超导材料“异军突起”，并且之前已经实现了高压低温超导，但是摆脱高压限制依然是一大难关。

为了突破这一难题，研究团队使用了花三年时间自研的强氧化原子逐层外延（GOALL-Epitaxy）技术，被誉为是在纳米尺度上“搭原子积木”。

具体到此项研究，这项技术的核心是在强氧化气氛下通过激光烧蚀La0.95Pr0.05Ox和NiOx陶瓷靶材，在SrLaAlO4单晶衬底上逐原子层生长出La2.85Pr0.15Ni2O7超导薄膜。

首先，研究团队将预处理过的SrLaAlO4单晶衬底的(001)取向SrLaAlO4衬底装入真空腔室，加热至生长温度。

然后通入高纯氧气和臭氧，使衬底表面处于3-5Pa臭氧和7Pa氧气背景的强氧化环境中。

接着用激光轮流烧蚀La0.95Pr0.05Ox和NiOx靶材，按照La0.95Pr0.05O – NiO2 – La0.95Pr0.05O – NiO2 – La0.95Pr0.05O的次序逐原子层生长La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜。

生长过程由RHEED实时监测，生长完成后，在臭氧气氛中快速冷却样品，并退火处理以优化薄膜质量。

这种方法的特点是能够对生长过程进行原子层次的精确控制，化学计量比精确可控。

在该方法下，La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜展现出优异的层状生长模式，并且界面陡峭、无杂质。

团队平均年龄28岁

本项目由南方科技大学校长薛其坤院士、超导机理实验室陈卓昱副教授领衔。

薛其坤1984年从山东大学光学系激光专业毕业，1999年9月，任中科院表面物理国家重点实验室主任。

2005年5月起，薛其坤担任清华大学物理系教授，11月当选中科院院士，然后再清华一路升至院长、副校长，2020年到新成立的南方科技大学担任校长。

2024年，61岁的薛其坤获得了2023年度国家最高科学技术奖，是该奖项迄今为止最年轻的获奖者。

△来源：南方科技大学官网，下同

整个团队也高度年轻化，平均年龄只有28岁，与薛其坤一起率领团队的陈卓昱副教授今年也只有35岁。

2012年，陈卓昱毕业于清华大学物理系，之后到斯坦福读博，博士毕业后留校从事博士后研究。

2022年，陈卓昱加入南方科技大学，出任物理系副教授。

包括陈卓昱在内，论文大部分作者都来自南科大超导机理实验室。

四名共同一作也都很年轻，包括博士后或在读博士生，甚至硕士生。

• 博士后周广迪，2022年博士毕业于中科院半导体研究所，2023年2月加入该实验室；
• 博士生吕威，2023年9月加入；
• 博士后汪恒，清华物理学博士、本科武汉大学，2023年7月加入；
• 硕士生聂子豪，本科毕业于深圳大学物理学，2023年6月加入。

其余作者中，博士生陈亚奇、博士后李月莹、副研究员黄浩亮，也都出自该实验室。

此外，南科大物理系教授陈伟强、副教授孙煜杰也参与了这项研究，论文部分作者在粤港澳大湾区量子科学中心有兼职。

（注：除薛其坤、陈卓昱外，其余作者按照论文署名顺序排列）

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08755-z
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-025-00450-3
[2]https://hightc.phy.sustech.edu.cn/faculty.html
[3]https://newshub.sustech.edu.cn/html/202502/46153.html

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