4月8日,國際頂級期刊《自然》刊發(fā)我國超導領(lǐng)域重大成果,南方科技大學量子功能材料全國重點實驗室、物理系聯(lián)合粵港澳大灣區(qū)量子科學中心、清華大學薛其坤—陳卓昱團隊,與中國科學技術(shù)大學沈大偉團隊等合作,通過人工設計原子堆疊序列,成功創(chuàng)制“單層—雙層”與“雙層—三層”兩種新型常壓鎳基氧化物超導材料,標志著我國在高溫超導材料研發(fā)領(lǐng)域取得關(guān)鍵進展。
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高溫超導是凝聚態(tài)物理核心前沿,鎳基材料被視為繼銅基、鐵基之后揭示高溫超導機理的第三類關(guān)鍵體系。然而,鎳基超導合成需實現(xiàn)高度氧化狀態(tài),這與晶格穩(wěn)定生長存在熱力學沖突,長期制約其研發(fā)突破。本次研究精準破解這一核心矛盾,為鎳基超導材料的可控合成開辟了全新路徑。
研究團隊自主研發(fā)“強氧化原子逐層外延”技術(shù),開辟極端非平衡生長區(qū)間,實現(xiàn)薄膜生長中結(jié)構(gòu)構(gòu)建與充分氧化“一步完成”。這項技術(shù)如同納米尺度的“原子積木搭建”,可按人工設計藍圖精確排列鑭、鐠、鎳等原子,構(gòu)建出高質(zhì)量鎳基氧化物薄膜,為鎳基超導研究提供獨一無二的實驗平臺。
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四種鎳基超結(jié)構(gòu)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)(上)、電輸運性質(zhì)(中)和費米面拓撲(下)
基于該技術(shù),團隊合成出單層—雙層、單層—三層、雙層—三層三種全新鎳基超結(jié)構(gòu)材料。
其中,單層—雙層超結(jié)構(gòu)起始轉(zhuǎn)變溫度達50K,雙層—三層超結(jié)構(gòu)達46K,均突破傳統(tǒng)超導理論的“麥克米蘭極限”;
而單層—三層超結(jié)構(gòu)僅呈現(xiàn)金屬性。進一步研究發(fā)現(xiàn),超導結(jié)構(gòu)中布里淵區(qū)頂角附近的γ能帶費米口袋是決定超導發(fā)生的關(guān)鍵“電子基因”。
本次成果從實驗上明確了原子堆疊構(gòu)型、電子能帶與超導電性的關(guān)聯(lián),為揭示鎳基高溫超導微觀機制提供了關(guān)鍵實驗證據(jù)。
作為第三類突破常壓“麥克米蘭極限”的高溫超導體系,鎳基材料與銅基、鐵基的對比研究,將為攻克高溫超導這一世紀科學難題提供核心鑰匙,也為未來能源輸運、量子計算等領(lǐng)域的技術(shù)變革奠定科學基石。
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