【儀表網 研發快訊】南方科技大學量子功能材料全國重點實驗室和物理系、粵港澳大灣區量子科學中心、清華大學薛其坤-陳卓昱團隊，與中國科學技術大學沈大偉團隊等合作，在常壓鎳基高溫超導領域再獲突破。團隊2026年4月8日在國際學術期刊Nature發表最新研究成果，在極端氧化條件下通過人工設計原子堆疊序列，創制出單層-雙層超結構和雙層-三層超結構兩種全新常壓高溫超導體；與此同時，研究團隊還結合角分辨光電子能譜(ARPES)，識別出了超導態對應的電子能帶結構，為破解高溫超導機理提供了關鍵實驗依據。此前，該團隊在國產學術期刊National Science Review上報道，已將純雙層結構薄膜的常壓超導起始轉變溫度大幅提升至60 K以上。
上述成果是在2024年末同一團隊發現并確立常壓鎳基高溫超導電性(2025年發表于Nature)的基礎上取得的重要進展。從實現常壓鎳基高溫超導，到提升超導性能，再到人工創制全新超導材料并揭示其電子結構起源，這一系列突破彰顯了自主研發的“強氧化原子逐層外延”(GAE, 2025年發表于National Science Review)薄膜生長技術在新型量子材料創制領域的國際引領地位，也體現了我國在高溫超導這一前沿科研方向上的持續自主創新能力。
像“搭積木”一樣，在原子層面設計并構造全新超導體
高溫超導是凝聚態物理領域最重要的研究前沿之一。繼銅基和鐵基高溫超導體之后，鎳基材料被認為是有希望揭示高溫超導機理的第三類體系。然而，鎳基超導材料的合成與控制面臨一個根本性的矛盾：實現超導所必需的高度氧化狀態，與實現晶格穩定生長之間存在熱力學沖突。這就好比要同時燒制瓷器的瓷胎和釉面——瓷胎成型需要溫和穩定的環境，釉面顯色則需要猛火強氧，兩道工序的條件針鋒相對，傳統方法很難兼顧。
研究團隊自主研發的“強氧化原子逐層外延”(GAE)技術，巧妙地破解了這一難題。該技術營造出超強的氧化氛圍，開辟出一個極端非平衡的生長區間，使薄膜在生長過程中一步完成結構構建與充分氧化。這如同在納米世界中，一邊逐層搭建“原子積木”，一邊實時鎖定每一層的化學狀態，按照人工設計的藍圖，精確排列鑭、鐠、鎳等原子，從而構建出從純雙層到復雜超結構等一系列晶體質量趨于完美的超導薄膜。這種在超強氧化條件下的原子級工程能力，代表了氧化物薄膜外延生長領域的技術跨越，不僅為鎳基超導研究提供了獨一無二的實驗平臺，也為破解各類氧化物材料的缺氧難題提供了全新的解決思路。
憑借這一技術，研究團隊先是將去年發現的純雙層結構(簡稱2222，化學式為：(La,Pr)3Ni2O7/SrLaAlO4，其中SrLaAlO4為基底材料)超導薄膜的常壓超導起始溫度從此前的約45 K推升至63 K，零電阻溫度和抗磁性亦均大幅提升；又按照人工設計的原子堆疊藍圖，精確合成出單層-雙層超結構(簡稱1212，化學式為：(La,Pr)5Ni3O11/SrLaAlO4)、單層-三層超結構(簡稱1313，化學式為：(La,Pr)3Ni2O7，該超結構與2222具有相同的化學式但結構不同)、和雙層-三層超結構(簡稱2323，化學式為：(La,Pr)7Ni5O17/SrLaAlO4)三種全新的鎳基超結構材料，并發現1212和2323在常壓下可實現高溫超導，起始轉變溫度分別達到50 K和46 K，均突破了傳統超導理論中的"麥克米蘭極限"，而1313僅呈現金屬性。從提升已知材料的超導溫度，到創制自然界中不存在的全新超導體，這一步步跨越充分體現了GAE技術在超強氧化氛圍下對材料進行原子級精度操控的卓越能力。
“看清”超導電子的能量動量結構，為破解高溫超導難題提供關鍵鑰匙
發現新的超導體只是第一步，理解超導從何而來才是核心目標。研究團隊將原子級精準的結構控制與角分辨光電子能譜(ARPES)相結合，對四種不同堆疊結構1212、2222、1313和2323的鎳基氧化物薄膜進行了系統的比較研究。
ARPES好比一臺能夠“拍攝”材料內部電子運動狀態的超級相機，可以直接觀測電子的能量-動量狀態分布。研究發現，在超導的1212、2222和2323結構中，布里淵區頂角附近均存在一個被稱為γ能帶形成的費米口袋；而在不超導的1313結構中，這一γ能帶則未能形成費米口袋。這一發現從實驗上表明了原子堆疊構型、電子能帶與超導電性之間的關聯，識別出了決定超導發生與否的“電子基因”，為揭示鎳基高溫超導的微觀機制提供了明確的實驗證據。
從自主研發極端條件下的薄膜生長技術，到創制自然界不存在的全新超導材料，再到利用先進譜學手段揭示超導態的電子結構起源——這一系列成果展現了一條從技術突破、材料創制到物理機理探索的完整創新鏈條。鎳基超導體與銅基、鐵基超導體具有不同的電子結構特征，三者的對比研究將為最終破解高溫超導這一世紀難題提供關鍵鑰匙，也將為能源、信息、量子計算等領域的未來技術變革奠定科學基石。
本研究第一完成單位為南方科技大學量子功能材料全國重點實驗室與物理系。南科大碩士生聶子豪、研究助理教授李月瑩、博士生呂威、博士生徐立智，以及中科大博士后江志誠為本文共同第一作者。中科大沈大偉教授、量子中心李鵬助理研究員、薛其坤院士、南科大副教授/量子中心雙聘研究員陳卓昱為共同通訊作者。文章作者還包括賈金鋒院士，以及南科大教授/量子中心雙聘研究員林君浩。
錨定量子科技前沿，量子功能材料全國重點實驗室實現新突破
量子功能材料全國重點實驗室(以下簡稱“實驗室”)作為第一完成單位，以重大科學問題牽引聯合攻關，充分體現了“有組織科研”在啃基礎研究“硬骨頭”時的核心驅動力。該實驗室由南方科技大學牽頭，聯合上海科技大學共同組建，于2024年獲科技部批準建設。實驗室面向國家在量子科技領域的重大戰略需求，定位于應用基礎研究，聚焦量子功能材料的智能設計、原子級精準制備及基于大科學裝置的全自由度超高分辨表征研究，致力于推動量子功能材料在信息與能源領域的應用。
實驗室匯聚了一支由戰略科學家領銜，170余人規模的高水平科研團隊。實驗室由賈金鋒院士擔任主任，林君浩教授擔任常務副主任，核心成員包括2位中國科學院院士及90余位國家級高層次人才，45歲以下青年科研人員占比超過70%。2025年，實驗室有6人獲國家自然科學基金青年科學基金項目(A類)支持(其中1人獲延續項目支持)，獲批國家級科研項目32項、省部級科研項目9項、重大橫向項目3項，科技經費總計逾6000萬元；團隊成員2025年累計在Nature等國際頂尖期刊發表SCI論文59篇，授權專利16項、在審專利50項。
自實驗室組建以來，已參與取得多項重大成果突破，有力支撐和引領我國量子科技的發展。包括2025年發表在Nature的成果“常壓下鎳氧化物的高溫超導電性”，2025年發表于Nature的“自旋空間群理論與非常規磁性”研究，以及本次發表的“鎳氧化物超結構的高溫超導電性發現與電子結構研究”等。此外，實驗室還取得了多項成果：在二維二硒化鈀(PdSe2)中首次揭示了一種傳統固體相變中前所未有的“潛伏相變”行為；提出了一種在A型反鐵磁中表征與操控奈爾序的有效方法，為層狀材料中反鐵磁態的調控提供了通用途徑；創新開發出一種新型準固態離子熱電循環(t-ITC)系統；創新性引入單光子計數(SPC)、電激發-光激發(EL-PL)聯合測試等技術追蹤電子在QLED中的輸運路徑，揭示QLED穩定性差和性能衰減與電子泄漏行為之間的內在聯系；利用低劑量電子顯微成像方法解釋了鹵化物鈣鈦礦材料的表面邊緣和內部缺陷的原子結構。
目前實驗室布局了四大優勢研究方向：材料設計與計算、材料制備與調控、大科學裝置與材料表征、材料功能與器件。實驗室通過整合南科大、上科大兩所新型研究型大學優勢學科資源及頂尖科研力量，并實現深滬兩地X射線自由電子激光、同步輻射光源、材料基因組等大科學裝置的優勢互補，助力國家級重大項目取得突破，合力打造量子材料研究領域的國家戰略科技力量。
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