近日，我國科學家在凝聚態物理領域的“世紀難題”——高溫超導機理研究中取得關鍵突破。日前，國際學術期刊Science在線發表南方科技大學、粵港澳大灣區量子科學中心、清華大學薛其坤-陳卓昱團隊與中國科學技術大學何俊峰課題組合作的最新成果：首次在鎳基高溫超導薄膜中直接觀測到無節點超導能隙，并發現了電子-玻色子耦合現象。這一發現為“超導能隙對稱性”和“超導配對機制”這兩個高溫超導核心問題提供了重要實驗證據，為深入理解高溫超導機理奠定了關鍵實驗基礎，并將有望推動超導技術更廣泛的應用。

超導現象自1911年被發現以來，因其極限電磁性能，一直是國際科學界的研究焦點。傳統超導體轉變溫度極低、應用受限，因此探索高溫超導材料、揭示其形成機理，成為該領域的核心命題。過去一個世紀，銅基與鐵基兩類高溫超導材料相繼問世，但其機理經數十年探索仍懸而未決。近期，鎳基高溫超導材料的出現，為破解這一世紀難題帶來新的契機。因此，率先獲得鎳基高溫超導機制的關鍵實驗證據成為全球科學家的最新競技場。

近年來，薛其坤-陳卓昱團隊連續攻堅，取得了一系列重要成果：團隊首先發展了“強氧化原子逐層外延”（GAE）技術，攻克了復雜氧化物原子級制備的難題（2024年11月發表于《國家科學評論》）；隨后，在鎳氧化物薄膜中實現了常壓高溫超導（2025年2月發表于《Nature》）；并將雙層鎳氧化物薄膜在常壓下的超導起始轉變溫度提升至60K以上（2026年3月發表于《國家科學評論》）；團隊進一步構筑了系列高溫超導人工超結構（2026年4月發表于《Nature》）。此次，中國科大-南科大聯合團隊在《Science》期刊發表的成果，在Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物高溫超導薄膜中揭示了“無節點超導能隙”和“電子-玻色子耦合”現象，為“超導能隙對稱性”和“超導配對機制”這兩個高溫超導核心問題的理解提供了關鍵實驗證據。這與前述材料及技術上的系列突破互為支撐，全方位展現了從“首創新技術”、“發現超導材料”、“提升超導溫度”到“解密物理機制”的系統性攻關格局。

超導能隙的對稱性，是理解超導本質的核心。電子在超導體中兩兩配對，猶如跳雙人舞——傳統超導體跳的是"圓舞曲"，電子無論朝哪個方向都"手拉得一樣緊"，能隙處處不為零，即s波對稱性；銅基高溫超導體則更像"探戈"，在某些特定方向上電子會"松手"、能隙歸零，留下所謂"節點"，對應d波對稱性。能隙有無節點，是判別高溫超導物理屬性的關鍵指標。此項研究首次在RP雙層鎳基高溫超導薄膜中給出明確答案：其超導能隙沒有節點，更符合s波（或s±波）對稱性。這意味著，同為高溫超導，鎳基與銅基的配對機制也許并非一脈相承。

圖1無節點超導能隙的發現

電子如何配對，是破解高溫超導之謎的又一關鍵。電子本身帶負電、彼此相斥，要讓它們克服斥力結伴起舞，理論上有兩類機制：一類無需"中間人"，電子在特殊環境中自行配對（如共振價鍵理論）；另一類則需要某種玻色子充當媒介、牽線搭橋傳遞吸引力。研究團隊在實驗中捕捉到一個關鍵的譜學信號——"能帶扭折"：原本平滑的電子能量曲線在費米能級以下約70 meV處出現明顯拐點，正是電子與玻色子耦合留下的"指紋"，證實鎳基高溫超導中存在電子-玻色子耦合，強烈提示其電子配對很可能由"中間人"促成。下一步，確認這位"中間人"究竟是哪種玻色子，或將成為最終闡明高溫超導物理機制的關鍵所在。

圖2電子-玻色子耦合的發現

該項成果是跨地域協同科研攻關生動寫照。為了克服超導薄膜在室溫真空中極易失氧而失去超導性的技術“卡點”，兩校團隊打破壁壘、不分彼此：南科大團隊在深圳負責優化生長獲得高質量薄膜樣品；中國科大團隊與南科大團隊聯合研發了超高真空低溫淬火與樣品傳輸新技術；最終，團隊成功跨越1200多公里，將超導薄膜樣品從深圳無損轉移至合肥，運用中國科大研制的高分辨率激光角分辨光電子能譜進行高精度電子結構測量，并進一步結合上海同步輻射光源形成完備測量。這種跨越深圳、合肥、上海多地的大協作，將最頂尖的材料制備、設備研發與大科學裝置精準結合，展現了中國基礎科研集中力量辦大事的顯著優勢。

論文由薛其坤院士、中國科大何俊峰教授與南科大陳卓昱副教授共同領銜通訊作者。中國科大沈建昌、南科大/量子中心周廣迪、中國科大繆宇、粵港澳大灣區量子科學中心李鵬與中國科大歐志鵬五位青年研究人員為共同第一作者，主導了本次實驗突破。該研究得到科技部、教育部、基金委等項目支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adw8329

本文來自南方科技大學。

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