2026年4月，國際頂級學術(shù)期刊《自然》再次見證了中國超導研究的高光時刻。南方科技大學薛其坤院士、陳卓昱副教授團隊聯(lián)合中國科學技術(shù)大學沈大偉教授團隊，成功創(chuàng)制出兩種全新的常壓鎳基高溫超導材料，并在原子層面揭示了超導發(fā)生的"電子密碼"。這不僅是材料科學領(lǐng)域的重大進展，更標志著人類向破解高溫超導機理這一百年難題邁出了關(guān)鍵一步。

一、從"不可能"到"可能"：原子級工程技術(shù)的破局

超導材料的研究始終面臨一個根本性矛盾：實現(xiàn)超導所需的高氧化狀態(tài)，與材料穩(wěn)定生長所需的條件相互沖突。氧化程度不足，超導無法出現(xiàn)；過度氧化，材料結(jié)構(gòu)又難以穩(wěn)定存在。

面對這一世界級難題，中國科學家選擇了一條獨特的技術(shù)路徑——自主研發(fā)"強氧化原子逐層外延"技術(shù)。這項技術(shù)的精妙之處在于，它能夠在超強氧化環(huán)境下，對材料生長過程進行原子級精準操控。形象地說，科學家如同在納米世界中搭建"原子積木"，可以按照預先設(shè)計的藍圖，精確排列鑭、鐠、鎳等原子的堆疊順序，在構(gòu)建材料結(jié)構(gòu)的同時完成充分氧化。

正是憑借這項技術(shù)，研究團隊首先將純雙層結(jié)構(gòu)鎳基薄膜的常壓超導起始溫度從45開爾文提升至63開爾文，創(chuàng)下該體系的新紀錄。隨后，他們更進一步，按人工設(shè)計的原子堆疊方案，精確合成出三種全新的鎳基超結(jié)構(gòu)材料。

二、四種"積木"的對比實驗：結(jié)構(gòu)決定性能

研究團隊設(shè)計了四種不同的原子堆疊結(jié)構(gòu)，如同四種不同的"積木搭法"：

第一種是單層-雙層交替結(jié)構(gòu)（1212），第二種是純雙層結(jié)構(gòu)（2222），第三種是單層-三層交替結(jié)構(gòu)（1313），第四種是雙層-三層交替結(jié)構(gòu)（2323）。四種結(jié)構(gòu)在相同的SrLaAlO?襯底上生長，稀土位點均采用鑭與鐠2:1的比例，確保了實驗的可比性。

實驗結(jié)果呈現(xiàn)出鮮明的規(guī)律性：1212、2222和2323三種結(jié)構(gòu)均觀測到超導轉(zhuǎn)變，起始溫度分別約為50開爾文、50開爾文和46開爾文，均超過了麥克米蘭極限（約40開爾文）。其中2323結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出獨特的兩步超導轉(zhuǎn)變特征。而1313結(jié)構(gòu)盡管化學組成與其他樣品相同，卻未顯示任何超導跡象，僅表現(xiàn)出金屬行為。

這一對比深刻揭示了高溫超導的一個核心規(guī)律：超導電性的出現(xiàn)并非單純由化學成分決定，而是強烈依賴于原子的堆疊方式，即材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

三、捕捉"電子基因"：角分辨光電子能譜的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

為了理解為何結(jié)構(gòu)差異會導致超導性能的巨大差別，研究團隊運用角分辨光電子能譜技術(shù)，直接觀測材料中電子的能量和動量分布。這項技術(shù)如同一臺"電子顯微鏡"，能夠看清材料內(nèi)部電子運動的精細結(jié)構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵規(guī)律：在所有超導樣品中，布里淵區(qū)頂角附近都存在一個由γ能帶形成的費米口袋；而在不超導的1313結(jié)構(gòu)中，這一特征完全缺失——γ能帶呈現(xiàn)平帶特征，帶頂位于費米能級以下約70毫電子伏特處。

進一步分析表明，α和β能帶與鎳的d_x2-y2軌道相關(guān)，而γ能帶則與d_z2軌道相關(guān)。正是d_z2軌道的參與，為鎳基超導體引入了銅基超導體所不具備的新自由度。在2323這一特殊結(jié)構(gòu)中，研究團隊甚至同時觀測到兩種γ能帶：來自雙層結(jié)構(gòu)單元的γII能帶形成費米口袋，來自三層結(jié)構(gòu)單元的γIII能帶則位于費米能級以下。這種"雙重性格"很可能與觀察到的兩步超導轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。

這一發(fā)現(xiàn)從實驗上建立了原子堆疊構(gòu)型、電子能帶結(jié)構(gòu)與超導電性之間的直接關(guān)聯(lián)，識別出了決定超導發(fā)生與否的關(guān)鍵"電子基因"。

四、年輕力量的崛起：科研團隊的背后

值得關(guān)注的是，這項重磅成果的第一完成單位是南方科技大學量子功能材料全國重點實驗室，該實驗室于2024年獲科技部批準建設(shè)，匯聚了一支170余人規(guī)模的高水平科研團隊，45歲以下青年科研人員占比超過70%。

論文的共同第一作者中，南方科技大學碩士生聶子豪排名第一。這位本科畢業(yè)于深圳大學物理學專業(yè)的"95后"，2023年6月加入陳卓昱課題組，在碩士階段便以共同第一作者身份發(fā)表了兩篇《自然》論文。在團隊2025年2月發(fā)表的前一項成果中，當時碩士二年級的聶子豪已是共同第一作者之一。這種青年人才的快速成長和擔綱主力，展現(xiàn)了中國科研梯隊建設(shè)的活力。

通訊作者團隊同樣呈現(xiàn)老中青結(jié)合的特點。薛其坤院士作為最年輕的國家最高科學技術(shù)獎得主，長期深耕超導領(lǐng)域；"90后"陳卓昱副教授師從鎳基超導先驅(qū)Harold Y. Hwang，2022年回國加入南方科技大學；李鵬助理研究員和沈大偉教授分別在超導機理和角分辨光電子能譜技術(shù)方面具有深厚積累。這種跨代際、跨機構(gòu)的合作模式，成為重大科研成果產(chǎn)出的重要保障。

五、從實驗室到未來：高溫超導的機理之路

此次研究的意義遠超材料發(fā)現(xiàn)本身。它首次在實驗上明確了鎳基高溫超導中結(jié)構(gòu)-電子態(tài)-超導電性的關(guān)聯(lián)規(guī)律，為建立完整的理論框架提供了不可或缺的實驗基礎(chǔ)。

研究團隊指出，既然1313結(jié)構(gòu)的超導缺失源于γ能帶未形成費米口袋，那么通過進一步調(diào)控外延應變、化學替代或施加壓力，完全有可能誘導該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超導。這不僅意味著鎳基超導家族還將繼續(xù)擴容，更暗示著通過理性設(shè)計而非盲目試錯來尋找更高轉(zhuǎn)變溫度超導材料的可能性。

從銅基到鐵基，再到如今的鎳基，高溫超導研究已走過三十余年歷程。每一次新材料的發(fā)現(xiàn)都伴隨著對機理的深入理解，而每一次機理的突破又指引著新材料的探索。中國科學家在這一領(lǐng)域的持續(xù)貢獻，正在逐步改變?nèi)虺瑢а芯康母窬帧?/p>

結(jié)語

在納米世界里"搭積木"，在電子能帶中"找密碼"——中國科學家用原創(chuàng)技術(shù)和系統(tǒng)研究，為高溫超導這一世紀難題提供了新的解題思路。兩種全新超導材料的誕生，不僅是材料科學的勝利，更是人類理性認知自然規(guī)律的見證。隨著量子功能材料全國重點實驗室等平臺的建設(shè)完善，我們有理由期待，在破解高溫超導機理、推動超導技術(shù)應用的征程上，中國力量將扮演越來越重要的角色。