两种全新常压镍基超导材料问世

南方科技大学量子功能材料全国重点实验室和物理系、粤港澳大湾区量子科学中心薛其坤 — 陈卓昱团队，与中国科学技术大学沈大伟团队等合作，成功创制出两种全新的常压镍基高温超导材料，并识别出与超导态密切相关的关键电子能带结构。

研究团队自主研发的“强氧化原子逐层外延”技术能够营造出比常规方法高出约 1000 倍的强氧化环境，在薄膜生长过程中实现原子级精准操控，使结构构建与充分氧化一步完成，从而在纳米尺度上按照预先设计精确排列镧、镨、镍等原子。这一技术在超强氧化条件下实现原子级工程操控的能力，不仅为镍基超导研究提供了独特的实验平台，也为破解多类氧化物材料的缺氧难题提供了新的解决思路。

凭借这一技术，团队先将此前发现的纯双层结构镍基薄膜的常压超导起始温度从此前的约 45 开尔文推升至 63 开尔文。随后，又按照人工设计的原子堆叠方案，精确合成出三种全新的镍基超结构材料。其中两种材料在常压下实现了高温超导，起始转变温度分别达到 50 开尔文和 46 开尔文，均突破了传统超导理论中的“麦克米兰极限”。

研究团队将原子级精准结构控制与角分辨光电子能谱技术相结合，对四种不同堆叠结构的镍基氧化物薄膜开展系统比较研究。角分辨光电子能谱可以直接观测材料中电子的能量和动量分布。研究发现，在能够超导的几种结构中，布里渊区顶角附近都存在一个由 γ 能带形成的费米口袋；而在不超导的结构中，这一关键特征并不存在。这一发现从实验上表明了原子堆叠构型、电子能带与超导电性之间的关联，识别出了决定超导发生与否的关键电子结构特征，为揭示镍基高温超导的微观机制提供了明确的实验证据。