近日，《自然》雜志（Nature）刊登中山大學王猛教授團隊主導的科學成果：首次發(fā)現液氮溫區(qū)鎳氧化物超導體。這是中國科學家在全球率先發(fā)現的全新高溫超導體系，是人類目前發(fā)現的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導材料，是基礎研究領域“從0到1”的突破，將有望推動破解高溫超導機理，使設計和預測高溫超導材料成為可能，實現更廣泛更大規(guī)模的產業(yè)化應用。

在中山大學廣州校區(qū)南校園哲生堂物理學院的實驗室，王猛教授團隊展示了一根幾厘米的黑色料棒——高溫超導新材料La3Ni2O7單晶樣品。這根看似“樸實無華”的料棒，卻凝聚了團隊數年的心血。

“La3Ni2O7生長條件極為苛刻，平均價態(tài)為2.5價，偏離Ni的穩(wěn)定價態(tài)正2價，氧壓范圍窄，研究團隊花了兩年多的時間，才摸索出生長條件，長出來高質量單晶樣品。”王猛介紹說。

高溫超導研究沒有成熟的理論指引，存在很大的不確定性。自1986年銅氧化物超導電性發(fā)現后，科學家就在鎳等過渡金屬化合物中探索超導電性。然而，近40年的研究，鎳基氧化物超導電性并未有突破性進展。“沒有人知道終點在哪里，如果知道，我們就可以設計一條達到終點的路徑，但基礎研究就是解鎖未知，而未知就是充滿了不確定性。”王猛說。

這一次，團隊成功了。團隊將La3Ni2O7單晶材料在中山大學高壓實驗研究平臺以及華南理工大學、中國科學院物理研究所、北京同步輻射裝置開展實驗研究，很快確定了其在壓力下轉變?yōu)槌瑢w，超導轉變溫度達到液氮溫區(qū)，高達80K（開爾文）。

超導材料具有絕對零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應的特殊性質，因此具有重要的科學和應用價值。1986年，科學家首次發(fā)現銅氧化物超導材料，隨后包括中國科學家在內的多國科學家將其超導溫度提升到了液氮溫區(qū)（77開爾文，即零下196攝氏度）。液氮的廉價和易得，推動了銅氧化物高溫超導材料在信息技術、生物醫(yī)學、科學儀器、電力、交通運輸等領域的應用。

2008年，日本科學家在一種鐵砷基材料中發(fā)現了超導現象。很快，中國科學家合成出多種鐵砷材料，將塊材超導溫度最高提高到55K，并推動了其應用，但未能進入液氮溫區(qū)。

銅氧化物至此仍是唯一液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導材料。“科學家在銅氧化物超導電性研究中掌握了很多實驗現象和規(guī)律，然而與高溫超導的因果關系無法確定。”清華大學教授張廣銘說，高溫超導的機理至今未知，成為近40年來物理學中最重要的科學問題之一。

這一次，中國科學家首次發(fā)現在液氮溫區(qū)超導的鎳氧化物，意味著為世界超導研究開辟了新領域，將引領超導研究的方向。這個發(fā)現在審稿階段于科研論文預印平臺公布后，迅速受到全球超導領域研究人員廣泛關注和跟進研究，在一個月左右的時間里，已有十余篇相關理論和實驗工作相繼公布。論文也得到了《自然》雜志審稿人的高度評價，認為它“具有突出重要性”“是開創(chuàng)性發(fā)現”“業(yè)內將廣泛關注”。

“這次發(fā)現高溫超導的鎳氧化物，鎳的價態(tài)為+2.5價，超出傳統(tǒng)預期，其電子結構、磁性與銅氧化物完全不同。通過比較研究，將有可能確定高溫超導的關鍵因素，推動科學家破解高溫超導機理。”王猛介紹，“根據機理，有望與計算機、AI技術等學科交叉后，設計、合成新的更多的更容易應用的高溫超導材料，實現更加廣泛的應用。”

“中山大學自2017年開始建設物理學院公共科研平臺，為團隊的材料生長和表征實驗創(chuàng)造了一流的條件。”王猛說，中山大學建設的中子譜儀，也將助力團隊對材料進行進一步研究，推動機理的解決。

團隊已經在進一步探索的路上。“目前，我們的超導材料，需要14GPa壓力下才能實現，這會限制對超導機理的研究以及廣泛應用。研究團隊目前正在攻關，希望生長出常壓下達到液氮溫區(qū)超導的鎳氧化物超導體。”王猛說。