2025开年，我国科研喜讯连连，一个月前，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在安徽合肥创造新世界纪录，首次完成1亿摄氏度1000秒“高质量燃烧”，我国聚变能源研究实现从基础科学向工程实践的重大跨越。
高压下双层镍酸盐超导体的发现为高转变温度（高TC）超导开辟了新的篇章。然而，高压条件和杂质相的存在阻碍了对它们的超导性能和潜在应用的全面研究。
一个月后的今天（2月18日），由薛其坤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组成的研究团队在《Nature》期刊上发表题为“Ambient-pressure superconductivity onset above 40K in (La,Pr)₃Ni₂O₇films（(La,Pr)₃Ni₂O₇薄膜在40K以上开始产生常压超导电性）的研究论文，Guangdi Zhou为论文第一作者，薛其坤院士、陈卓昱副教授为论文共同通讯作者。
这项研究报道了在双层镍酸盐外延薄膜中高于麦克米伦极限（40K）的环境压力下的超导。利用巨大的氧化原子层外延生长法（GOALL-Epitaxy），在SrLaAlO4基底上生长了三单位晶胞（3UC）厚的La2.85Pr0.15Ni2O7纯相单晶薄膜。
电阻测量和磁场响应表明超导转变温度Tc=45K。向零电阻的转变表现出与贝雷津斯基—科斯特利察—汤勒斯（BKT）转变相似的特性，其中TBKT=9K。通过互感设置观察到迈斯纳抗磁效应在TM=8K，与BKT转变一致。面内和面外临界磁场显示出各向异性。
扫描透射电子显微镜（STEM）图像和X射线倒易空间图（RSMs）显示，双层镍酸盐薄膜在NiO2平面相对于块体材料有约2%的相干外延压缩应变下采用四方相。
这一发现为在环境压力条件下全面研究镍酸盐超导体铺平了道路，并为通过异质结构中的应变工程探索更高转变温度的超导性提供了可能，也为我国在超导乃至量子材料领域的自主发展奠定了坚实基础。
镍酸盐超导体：从高压到环境压力的突破
三年来，由薛其坤院士与陈卓昱副教授率领的研究团队持续攻关，自主研发了“强氧化原子逐层外延”技术，在氧化能力比传统方法强上万倍的条件下，仍能实现原子层的逐层生长，并精确控制化学配比，但晶体质量趋于完美的氧化物薄膜。
这是氧化物薄膜外延生长技术的一次重大跨越，不仅为包括宽禁带半导体等各类氧化物的缺氧难题提供了解决方案，还极大地拓展了高温超导等强关联电子系统的人工设计与制备。
新华社、央视新闻都对薛其坤院士、陈卓昱副教授研究团队的这项重大成果进行了转播报道！
镍酸盐超导体的发现为高温超导研究开辟了新的篇章。铜酸盐超导体以其堆叠的CuO₂平面结构和独特的电子结构成为高温超导研究的先驱。
镍酸盐与铜酸盐在结构上类似，且具有类似的3d⁹电子构型，但氧的杂化作用较弱，使其更接近Mott-Hubbard绝缘体。近年来，双层镍酸盐超导体在高压下展现出接近液氮温度的超导转变温度（Tc），尽管其电子结构与铜酸盐和单层镍酸盐有所不同。
然而，高压条件和杂质相的存在限制了对镍酸盐超导机制的深入研究。因此，实现环境压力下的超导性成为该领域的重要目标。
理论与实验方法：应变调控与高质量薄膜生长
理论方法：
这项研究的核心理论基础在于理解双层镍酸盐的电子结构和超导机制。双层镍酸盐La₃Ni₂O₇具有名义上的3d⁷·⁵电子构型，与铜酸盐和单层镍酸盐明显不同。其层间氧的存在可能使3dₓ²⁻ᵧ²和3dᶻ²轨道共同参与超导性贡献。
研究者通过稀土元素掺杂（如Pr掺杂）和基底诱导的应变调控，优化了薄膜的超导性能。理论分析表明，压缩应变和掺杂可以有效调控镍酸盐薄膜的电子结构，从而实现环境压力下的超导性。
此外，通过测量薄膜的霍尔效应和磁响应特性，研究者揭示了其多带特性和二维超导性特征，为理解镍酸盐的超导机制提供了重要线索。
实验方法：
实验中，研究者采用了一种名为“巨大氧化原子层外延”（GOALL-Epitaxy）的技术，成功在SrLaAlO₄基底上生长出高质量的La₂·⁸⁵Pr₀·¹⁵Ni₂O₇薄膜。该技术通过交替激光烧蚀La₀·⁹⁵Pr₀·⁰⁵Oₓ和NiOₓ靶材，在强氧化环境中实现原子层外延生长。
精确控制激光脉冲数量和能量，以确保薄膜的化学计量比精度优于1%；生长过程中，通过反射高能电子衍射（RHEED）实时监测薄膜生长质量。
为了优化超导性能，研究者还对薄膜进行了后退火处理，在575°C下用纯化臭氧处理30分钟。
此外，通过X射线衍射（XRD）、扫描透射电子显微镜（STEM）和互感测量等手段，对薄膜的晶体结构、界面质量和超导特性进行了全面表征。
图2：双层镍酸盐薄膜的磁场响应
图3：超导双层镍酸盐薄膜的扫描透射电子显微镜（STEM）图像
图4：双层镍酸盐薄膜的X射线衍射（XRD）和倒易空间映射（RSM）
科学家的攀登之路：711院士与90后博导的“高温纠缠”
如本文所讲的伟大成就一样，薛其坤院士的名字就如同科学界的一面旗帜，代表着中国科学家在凝聚态物理领域的卓越成就。作为中国科学院院士、清华大学副校长，他的科研生涯既是一部个人奋斗的励志史，也是中国基础科学研究从追赶到引领的缩影。
教育资源相对匮乏的年代也挡不住他对知识的渴望和对科学的热爱，这也成为他成长道路上的重要驱动力。从山东沂蒙山区走出的农家子弟，到成为国际顶尖物理学家，薛其坤坚持了四十余年。
1978年，薛其坤考入山东大学光学系，那是他来时路的入口。之后，先后在中科院物理研究所与日本东北大学攻读研究生学历，又在日本、美国等地的顶尖科研机构从事博士后研究。
他的科研成就涵盖了多个领域，除了上文所讲研究外，最为人瞩目之一的是他在量子反常霍尔效应研究中的突破性贡献，他创造性地提出“界面工程”策略，通过精确控制拓扑绝缘体薄膜的生长，解决了材料制备的世界性难题。
作为团队领导者，薛其坤展现出卓越的协同创新能力。他主导的团队汇聚了材料生长、物性测量、理论计算等多学科人才，形成了“理论预测-材料制备-实验验证”的全链条研究模式，他团队中多位“80后”学者已成为国家杰出青年科学基金获得者。
图：薛其坤院士
来源：世界顶尖科学家论坛