研究示意圖。南方科技大學供圖
本報訊（記者刁雯蕙）中國科學院院士、粵港澳大灣區量子科學中心主任薛其坤和南方科技大學副教授陳卓昱團隊，聯合中國科學技術大學教授沈大偉團隊等，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，研究團隊結合角分辨光電子能譜（ARPES），識別出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。相關研究4月8日發表於《自然》。
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後，鎳基資料被認為是有望揭示高溫超導機理的第三類體系。但鎳基超導材料的合成與控制面臨一個根本性的衝突：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衝突。
為此，研究團隊自主研發“强氧化原子逐層外延”（GAE）科技，巧妙破解了這一難題。該科技開闢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，一邊實时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複雜超結構等一系列晶體質量趨於完美的超導薄膜。
基於該科技，研究團隊先是將之前發現的純雙層結構（簡稱2222）超導薄膜的常壓超導起始溫度從此前的約45開爾文（K）推升至63K，零電阻溫度和抗磁性均大幅提升。隨後，團隊又精確合成出單層-雙層超結構（簡稱1212）、單層-三層超結構（簡稱1313）和雙層-三層超結構（簡稱2323）3種全新的鎳基超結構資料，並發現1212和2323在常壓下可實現高溫超導，起始轉變溫度分別達到50K和46K，均突破了傳統超導理論中的“麥克米蘭極限”，而1313僅呈現金内容。這充分體現了GAE科技在超强氧化氛圍下對資料進行原子級精度操控的卓越能力。
研究團隊進一步將原子級精准的結構控制與ARPES相結合後發現，在超導的1212、2222和2323結構中，布裡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，揭示了原子堆疊構型、電子能帶與超導電性之間的關聯，識別出决定超導發生與否的“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。