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突破常压下高温超导新极限：镍基材料在45K实现零电阻与抗磁性

2月18日，由中国国家最高科学技术奖获得者薛其坤院士领衔的南方科技大学、粤港澳大湾区量子科学中心与清华大学联合研究团队，在国际学术期刊《自然》线上发表了最新的科研成果，揭示了镍氧化物材料在常压下展现出高温超导电性。这一发现突破了经典的铜基和铁基超导材料的局限，将镍基化合物的临界温度推高至45K（约-229℃），首次突破了著名的“麦克米兰极限”——常压下超导临界温度不可超过40K的理论限制，为高温超导机制的研究提供了新的突破口。

研究亮点：镍基材料首次突破麦克米兰极限

这项研究的关键成果是研发出一种基于镍氧化物的高温超导材料La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇薄膜，在常压下成功展现出超导特性。薄膜的超导转变起始温度达到了45K，并且在低温下表现出零电阻和抗磁性两种经典超导特性。该材料为双层镍氧化物，其中镧（La）元素的15%被镨（Pr）替代，材料在SrLaAlO₄单晶衬底上生长，且展现出优异的四方晶体结构。研究表明，该材料在温度降至20K以下时，电阻逐渐减小至接近零，表现出接近BKT（Berezinskii-Kosterlitz-Thouless）相变的特征。

此外，研究团队还成功通过互感法直接观测到该薄膜的迈斯纳效应，确认了材料进入了真正的超导态。这一特性是在8K时展现出与BKT相变温度一致的抗磁信号，为该材料的超导性质提供了有力证据。

突破性薄膜生长技术：自研GOALL-Epitaxy技术

为了实现这一突破，团队开发了一种创新的薄膜生长技术——强氧化原子逐层外延（GOALL-Epitaxy）。这一技术能够在原子层级上精确控制薄膜的生长，突破了双层镍氧化物材料固有的技术难题。具体来说，该方法利用激光烧蚀La_0.95Pr_0.05O_X和NiO_X靶材，在强氧化气氛下逐层生长La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇超导薄膜。该过程通过RHEED实时监测，确保了生长过程中的原子层精确控制和化学计量比的精准可控。最终得到的薄膜表现出非常优异的层状生长模式，界面无杂质，质量稳定。

镍基超导材料的巨大潜力

此次研究不仅突破了镍基超导材料的临界温度限制，也为进一步探索高温超导机理提供了重要线索。研究者指出，La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇材料独特的晶体场分裂和轨道杂化可能是其表现出高温超导性质的关键因素，为后续研究奠定了理论基础。

镍基超导材料的成功突破，不仅拓展了超导材料的种类，也使得高温超导材料的研究进入了新的阶段。此前，铜基和铁基超导材料已经实现了突破，但大多仍需要在高压或低温环境下才能表现出超导特性，而镍基材料在常压下的超导现象无疑为未来的高温超导材料的应用前景开辟了新的方向。

总结与展望

这一创新性研究代表了材料科学和超导物理领域的前沿进展。它不仅为常压下的高温超导材料研究带来了新的突破，也为推动量子计算、能源传输等领域的技术发展提供了宝贵的理论支持和实验基础。随着对这一新型超导材料的深入研究，未来有望在常压和更高温度下实现更广泛的应用，最终助力解决人类能源利用和技术革新等重大挑战。

这项研究的成功，彰显了薛其坤院士团队在纳米材料与超导体领域的技术创新及全球科研影响力，预示着超导技术的新纪元的到来。

研究团队中有多位清华人

本项目由南方科技大学校长薛其坤院士、超导机理实验室陈卓昱副教授领衔，两人为通信作者。

薛其坤院士自2005年起担任清华大学物理系教授，11月当选中科院院士，然后再清华一路升至院长、副校长，2020年到新成立的南方科技大学担任校长（人事关系仍在清华大学）。2024年，61岁的薛其坤获得了2023年度国家最高科学技术奖，是该奖项迄今为止最年轻的获奖者。

陈卓昱（论文通信作者），2012年本科毕业于清华大学物理系，之后到斯坦福读博，博士毕业后留校从事博士后研究。2022年，陈卓昱加入南方科技大学，出任物理系副教授。

论文作者中的清华人还有：

汪恒，2023年获清华大学物理系博士学位，现为南方科技大学博士后。

陈伟强，2000、2006年分获清华大学物理系、高等研究院学士和博士学位，现为南方科技大学物理系教授。

孙煜杰，2001、2010年分获清华大学材料系、物理系学士和博士学位，现为南方科技大学物理系副教授。