科学家发现全新常压镍基氧化物超导材料
中国科学院院士、粤港澳大湾区量子科学中心主任薛其坤和南方科技大学副教授陈卓昱团队，联合中国科学技术大学教授沈大伟团队等，在极端氧化条件下通过人工设计原子堆叠序列，创制出单层-双层超结构和双层-三层超结构两种全新常压高温超导体。与此同时，研究团队结合角分辨光电子能谱（ARPES），识别出超导态对应的电子能带结构，为破解高温超导机理提供了关键实验依据。相关研究4月8日发表于《自然》。
高温超导是凝聚态物理领域最重要的研究前沿之一。继铜基和铁基高温超导体之后，镍基材料被认为是有望揭示高温超导机理的第三类体系。但镍基超导材料的合成与控制面临一个根本性的矛盾：实现超导所必需的高度氧化状态，与实现晶格稳定生长之间存在热力学冲突。
为此，研究团队自主研发“强氧化原子逐层外延”（GAE）技术，巧妙破解了这一难题。该技术开辟出一个极端非平衡的生长区间，使薄膜在生长过程中一步完成结构构建与充分氧化。这如同在纳米世界中，一边逐层搭建原子积木，一边实时锁定每一层的化学状态，按照人工设计的蓝图精确排列镧、镨、镍等原子，从而构建出从纯双层到复杂超结构等一系列晶体质量趋于完美的超导薄膜。
基于该技术，研究团队先是将之前发现的纯双层结构（简称2222）超导薄膜的常压超导起始温度从此前的约45开尔文（K）推升至63K，零电阻温度和抗磁性均大幅提升。随后，团队又精确合成出单层-双层超结构（简称1212）、单层-三层超结构（简称1313）和双层-三层超结构（简称2323）3种全新的镍基超结构材料，并发现1212和2323在常压下可实现高温超导，起始转变温度分别达到50K和46K，均突破了传统超导理论中的“麦克米兰极限”，而1313仅呈现金属性。这充分体现了GAE技术在超强氧化氛围下对材料进行原子级精度操控的卓越能力。
研究团队进一步将原子级精准的结构控制与ARPES相结合后发现，在超导的1212、2222和2323结构中，布里渊区顶角附近均存在一个被称为γ能带形成的费米口袋；而在不超导的1313结构中，这一γ能带则未能形成费米口袋，揭示了原子堆叠构型、电子能带与超导电性之间的关联，识别出决定超导发生与否的“电子基因”，为揭示镍基高温超导的微观机制提供了明确的实验证据。
中国科学院院士、粤港澳大湾区量子科学中心主任薛其坤和南方科技大学副教授陈卓昱团队，联合中国科学技术大学教授沈大伟团队等，在极端氧化条件下通过人工设计原子堆叠序列，创制出单层-双层超结构和双层-三层超结构两种全新常压高温超导体。与此同时，研究团队结合角分辨光电子能谱（ARPES），识别出超导态对应的电子能带结构，为破解高温超导机理提供了关键实验依据。相关研究4月8日发表于《自然》。
高温超导是凝聚态物理领域最重要的研究前沿之一。继铜基和铁基高温超导体之后，镍基材料被认为是有望揭示高温超导机理的第三类体系。但镍基超导材料的合成与控制面临一个根本性的矛盾：实现超导所必需的高度氧化状态，与实现晶格稳定生长之间存在热力学冲突。
为此，研究团队自主研发“强氧化原子逐层外延”（GAE）技术，巧妙破解了这一难题。该技术开辟出一个极端非平衡的生长区间，使薄膜在生长过程中一步完成结构构建与充分氧化。这如同在纳米世界中，一边逐层搭建原子积木，一边实时锁定每一层的化学状态，按照人工设计的蓝图精确排列镧、镨、镍等原子，从而构建出从纯双层到复杂超结构等一系列晶体质量趋于完美的超导薄膜。
基于该技术，研究团队先是将之前发现的纯双层结构（简称2222）超导薄膜的常压超导起始温度从此前的约45开尔文（K）推升至63K，零电阻温度和抗磁性均大幅提升。随后，团队又精确合成出单层-双层超结构（简称1212）、单层-三层超结构（简称1313）和双层-三层超结构（简称2323）3种全新的镍基超结构材料，并发现1212和2323在常压下可实现高温超导，起始转变温度分别达到50K和46K，均突破了传统超导理论中的“麦克米兰极限”，而1313仅呈现金属性。这充分体现了GAE技术在超强氧化氛围下对材料进行原子级精度操控的卓越能力。
研究团队进一步将原子级精准的结构控制与ARPES相结合后发现，在超导的1212、2222和2323结构中，布里渊区顶角附近均存在一个被称为γ能带形成的费米口袋；而在不超导的1313结构中，这一γ能带则未能形成费米口袋，揭示了原子堆叠构型、电子能带与超导电性之间的关联，识别出决定超导发生与否的“电子基因”，为揭示镍基高温超导的微观机制提供了明确的实验证据。
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