突破高温超导“天花板”！薛其坤院士团队实现常压镍基超导
科学大院约 6 分钟超导，这颗物理学的璀璨明珠，我们对它的认知再次取得了新突破。
近日，由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，发现常压下镍氧化物的高温超导电性。镍基材料成为继铜基、铁基之后，第三类在常压下突破40开尔文（K）的“麦克米兰极限”的高温超导材料体系。相关研究成果发表在《自然》杂志上。
薛其坤院士与科研团队
（图片来源：新华社）
镍基材料是一类以镍元素为主要成分的材料，部分成员能在特定条件下展现超导电性。要想知道此次镍基超导材料在常压下突破麦克米兰极限的科学意义，我们要从超导体的三重“天花板”说起。
超导温度的三重“天花板”
某些材料在温度降低到某一特定值后，电阻会完全变为零，这就是超导现象，转为超导体的温度称为临界温度。超导材料具有绝对零电阻和完全抗磁性两大特性，几乎在所有涉及电和磁的领域都具有重大的应用价值，也是现代量子技术的核心材料之一。
超导体的完全抗磁性使磁铁在上方悬浮
（图片来源：veer图库）
然而，超导材料必须在低于临界温度下才能工作，而临界温度面临着三重“天花板”：
第一重，40K（约零下233℃），又称麦克米兰极限。这是传统金属单质或者合金超导体的临界温度的上限。
1957年，三位美国科学家巴丁、库珀、施里弗提出金属和合金超导体的微观理论（后来以他们名字命名为BCS理论），取得了自发现超导现象以来最大的成就。物理学家基于这一理论推断，超导临界温度存在一个40K的上限，后来被人们称为“麦克米兰极限”。
巴丁、库珀、施里弗因提出BCS理论获得1972年诺贝尔物理学奖（图片来源：Nobel Prize）
常规超导材料临界温度和麦克米兰极限
（图片来源：《超导小时代》罗会仟著）
不过，这个极限仅仅适用于常压条件下基于电声子耦合机制的超导体（又称为“常规超导体”）。如果不是电声子耦合机制形成的超导电性，那么临界温度就不必受限于40K，这些超导体被统称为“非常规超导体”。
第二重，液氮的沸点77K（约零下196℃）。超导材料的临界温度突破这一门槛，意味着可以在液氮的浸泡下工作，极大地降低了规模实用化的成本。
临界温度过低使得很多超导材料需要借助液氦制冷才能工作。作为稀有气体，氦资源稀缺且分布极不平均，制冷成本非常之高。而氮气作为自然界含量最多的气体，用作制冷介质是最经济的选择之一。
一块磁铁在液氮冷却的超导体上方悬浮
（图片来源：wikipedia）
第三重就是室温，一般定义为300K（约27℃）。毫无疑问，如果超导临界温度可以突破室温，那么在实际应用中就不存在制冷成本，超导材料的大规模应用也就扫清了最大的障碍。然而理想很丰满，现实却很骨感，目前发现的常压超导材料最高临界温度的记录依旧是由Hg-Ba-Ca-Cu-O体系保持的134K，离室温遥遥无期。
不过，科学家们在多年的研究中发现，高压是提升超导临界温度的“制胜法宝”之一。例如一些非金属单质在常压下不超导，高压下就能变成超导体；而已有的金属单质超导温度可以在加压后进一步提升。目前已知的超导临界温度的最高记录正是十氢化镧在170GPa高压条件下的250K（约-23℃）。
各类超导材料的临界温度一览
（图片来源：wikipedia）
高温超导体的两大家族
物理中一般将临界温度超过麦克米兰极限的超导体称为高温超导体，其中有两大家族格外引人注目：铜基超导体和铁基超导体，它们在超导研究领域具有举足轻重的地位。
铜基超导体是一类以铜氧化物为主要成分的高温超导材料，1986年由瑞士科学家柏诺兹和缪勒在镧-钡-铜-氧体系中首次发现，其超导转变温度达到35K，突破了当时已知的临界温度极限。随后，中国科学家赵忠贤等人独立发现了钇-钡-铜-氧（简称YBCO）体系的临界温度达到93K，突破了液氮温区的第二重“天花板”。
YBCO体系的一种晶体结构
（图片来源：Harvard）
在YBCO体系的基础上，科学家们还发现了铋系、铊系和汞系等超导体。目前，铜基超导体在常压下的最高临界温度是134K，这一纪录由汞系铜氧化物超导体保持。
铜基超导体具有典型的准二维层状结构，其中Cu-O平面作为导电层，其他氧化物层作为载流子库层。铜基超导体超出了传统BCS理论的解释范围，属于非常规超导体，超导机制至今仍未完全阐明。
与铜基超导体对应，铁基超导体是一类以铁为主要成分的非常规高温超导材料，2008年由日本科学家细野秀雄等人首次在镧-铁-砷-氧体系中发现，临界温度达到了26K。随后，中国科学家通过稀土替代等方法，将铁基超导体的临界温度提升到55K，突破了麦克米兰极限。
铁基超导体发现时间及其临界温度
（图片来源：《超导小时代》罗会仟著）
铁基超导体主要分为铁砷/磷化物和铁硒/硫化物两大类，具有层状结构，其中Fe-As或Fe-Se层作为导电层。铁基超导体的超导机制同样复杂，涉及强关联电子系统的量子效应。与铜基超导体相比，铁基超导体在结构和物性上更接近传统金属超导体，被认为是连接常规超导和铜基高温超导的桥梁。
连接常规超导和铜基高温超导的桥梁——铁基高温超导
（图片来源：《超导小时代》罗会仟著）
高温超导新家族：镍基超导
把目光投向元素周期表，我们还会发现铁和铜之间存在两个元素：钴和镍。含钴的材料往往表现出强铁磁性，难以转变为超导体；而镍氧化物和铜氧化物的结构相似，是不是高温超导体在两大家族之外，还可能存在镍基超导体？
自铜氧化物超导体发现后，科学家就开始在镍基材料中寻找超导电性，然而近40年没有取得突破性进展。直到2019年，美国斯坦福大学的研究团队在镍基薄膜样品Nd0.8Sr0.2NiO中首次观测到超导电性，临界温度约为15K。
镍氧化物薄膜超导体及其电子配对示意图
（图片来源：The Innovation）
2023年，中山大学王猛团队在超过十万个大气压的高压环境下发现镍基材料La3Ni2O7的临界温度约为80K，成功突破液氮温区。这也是继铜氧化物超导体之后再次在氧化物材料中观测到液氮温区的超导电性。
镍基超导体的超导特性主要源于镍的3d轨道电子。与铜基超导体类似，镍基超导体中的电子表现出强关联特性，这种强关联效应被认为是超导配对的关键因素，具体的原理机制目前仍在深入研究阶段。
镍基超导新突破
尽管镍基超导体已成功突破液氮温区的“天花板”，但高压环境限制了其实际应用。因此，如何在常压下实现镍基高温超导成为全球科学家竞相追逐的目标。
近期，这一目标终于取得了重大突破：由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，成功在常压下实现了镍氧化物材料的高温超导电性，超导临界温度突破40K，使得镍基材料成为继铜基和铁基超导体之后第三类在常压下突破麦克米兰极限的高温超导材料体系。
薛其坤院士与研究团队
（图片来源：澎湃新闻）
研究团队自主研发了“强氧化原子逐层外延”技术，可以在氧化能力大幅提高的情况下，依然实现原子层的逐层生长，并精确控制化学配比，构建出结构复杂、热力学亚稳、但晶体质量趋于完美的氧化物薄膜。在全新技术的支持下，研究团队最终在常压条件下实现了镍氧化物材料La2.85Pr0.15Ni2O7的高温超导电性。
常压镍基超导的发现在超导研究历史上具有里程碑式意义，为解决高温超导机理这一世纪难题提供了全新突破口。超导领域的基础研究为超导技术的实际应用和产业化奠定重要基础，未来也将继续拓展人类对物质世界的认知。
文章综合中国科学报、返朴等媒体报道。