在超导材料的研究历程中，镍基超导材料一直备受关注。从早期的理论和实验探索，到高压环境下的突破，再到如今常压条件下的重大发现，镍基超导的发展历程充满了挑战与创新。本文将回顾镍基超导的发展历史，并详细介绍南方科技大学团队在常压条件下实现镍基超导的重大突破。

一、镍基超导的发展历程

01 早期探索与理论预测

自1911年超导现象被发现以来，科学家们一直在寻找更高温度的超导材料。镍基超导材料因其与铜基超导材料相似的电子结构而备受关注。2019年，美国斯坦福大学李丹枫等人首次在镍基薄膜Nd_0.8Sr_0.2NiO₂中观测到超导转变温度约为15 K的超导电性。这一发现为镍基超导的研究奠定了基础，但同时也带来了新的挑战：如何进一步提高超导温度。

02 高压环境下的突破

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，实现了镍基材料La₃Ni₂O₇的液氮温区超导（77 K），这一成果在国际上引起广泛关注。然而，高压条件限制了镍基超导材料的广泛应用，如何在常压下实现高温超导成为全球科学家竞相追逐的目标。

二、南方科技大学的常压超导突破

2025年2月，南方科技大学联合粤港澳大湾区广东会科学中心与清华大学的研究团队，在薛其坤院士和陈卓昱副教授的带领下，取得了镍基超导材料研究的重大突破。他们成功实现了镍基材料在常压条件下的高温超导电性，超导起始转变温度突破了40 K（相当于零下233摄氏度）。这一成果不仅使镍基材料成为继铜基和铁基之后，第三类在常压下突破“麦克米兰极限”的高温超导材料体系，还为解决高温超导机理这一世纪难题提供了全新突破口。

01 创新技术：强氧化原子逐层外延

研究团队自主研发了“强氧化原子逐层外延”技术（GOALL-Epitaxy），这一技术能够在氧化能力比传统方法强上万倍的条件下，实现原子层的精确逐层生长，并精准控制化学配比。通过在纳米尺度上“搭原子积木”，研究团队成功构建出厚度仅几纳米的镍氧化物超薄膜。这种技术不仅解决了氧化物薄膜外延生长的难题，还为高温超导材料的制备开辟了新路径。

02 界面工程与“原子铆钉术”

为了将原本需要高压环境才能稳定的原子结构“移植”到常压环境中，研究团队通过界面工程实现了“原子铆钉术”。这一技术固定了原本需要极高压环境下才能稳定的原子结构，最终成功在常压下实现了超导电性。在实验过程中，团队测试了超过一千片样品。研究团队在SrLaAlO₄衬底上生长了三晶胞（3UC）厚的La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇纯相单晶膜。通过交替激光烧蚀La_0.95Pr_0.05O_x和NiO_x靶材，并在衬底附近引入强臭氧通量，精确控制薄膜的氧化状态。衬底对薄膜施加了约2%的压缩应变，使面内晶格参数降低至3.75埃（块体为3.83 埃），而平面外晶格常数略有增加，这被认为有助于超导性的出现。扫描透射电子显微镜（STEM）和X射线倒易空间映射（RSM）结果显示，薄膜在NiO₂平面呈现四方相结构，且与衬底之间存在清晰的界面，未发现明显的杂质相或不均匀性。

03 超导特性与磁场响应

电阻率测量表明，薄膜的电阻率随温度降低呈现两步下降趋势。第一次下降始于45 K（定义为起始超导温度TC），而低温下的第二次下降导致电阻接近零，表现出二维超导的特征。14 T的磁场显著抑制了超导转变，证实了其超导性质。此外，霍尔测量显示霍尔系数接近零，表明存在电子-空穴补偿和多带。为了进一步确认超导相，研究团队利用双线圈互感装置观察到迈斯纳抗磁效应的起始温度为8 K，与Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）转变温度一致。平面内和平面外的临界磁场表现出明显的各向异性，平面外的临界磁场（Bc⊥）随温度线性变化，而平面内的临界磁场（Bc∥）更大，符合二维Ginzburg–Landau模型。

三、结论与展望

该研究成功开辟了无需高压条件即可研究双层镍酸盐超导性的新路径。通过薄膜工程和掺杂手段，研究团队为未来系统性地改变应变、掺杂水平或薄膜厚度以实现更高超导转变温度奠定了基础。研究团队计划在未来进一步提升超导温度，目标是突破液氮温度限制。此外，镍基超导材料的成功开发也为宽禁带半导体等氧化物材料的制备提供了新思路，有望在能源、交通和医疗等领域带来深远影响。此次研究团队的平均年龄仅为28岁，充分展现了年轻科学家在技术方法上的开拓创新能力。此外，研究中所使用的仪器全部基于国产设备，这不仅标志着我国在实验技术领域的自主创新取得了重大进展，也彰显了国产科研设备的强大实力。从高压到常压，从理论到实践，镍基超导材料的研究正在开启新的篇章。南方科技大学团队的突破性成果不仅为高温超导研究提供了新的方向，也为未来的技术应用奠定了坚实基础。让我们期待更多关于镍基超导的惊喜，以及它为人类社会带来的变革！

作者丨汪  恒