中大这项研究，为何被《自然》评价为“开创性发现”？

中山大学科学家的一个新发现，开辟了超导研究的一条新路径。

7月12日，国际顶级学术刊物《自然》杂志在线发表了中山大学物理学院王猛教授团队在高温超导材料领域的最新研究进展：人类首次在实验上发现一种镍氧化物在压力下实现液氮温区超导电性，也是目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，实现了国际物理学界37年来的新突破。

《自然》在线论文截图。

对于这一新发现，《自然》杂志审稿人给予高度评价，认为它“具有突出重要性”“是开创性发现”。在国内学界，这一成果也引发了广泛关注，认为这是我国基础研究的标志性进展，将加速高温超导机理之谜的破解进程。

超导现象为何让物理学家如此着迷？镍氧化物超导体的发现，对于人类认识超导意味着什么？

国际物理界的“世纪难题”

两年多前，由我国自主研制、时速可达620公里的全球首台高温超导磁悬浮列车样车在成都亮相。但很多人不知道，磁悬浮列车能跑这么快，高温超导技术是关键。

一般金属导体的电阻会随着温度下降而减小，但如果温度一直下降呢？

1911年，荷兰科学家卡末林·昂内斯首次发现在特定低温下汞的零电阻现象，这种现象便被称为“超级导电”。此后百年，超导研究一直是国际物理学界的热点，科学家致力于寻找可以在更高温度实现超导的材料。

超导材料具有绝对的零电阻和完全的抗磁性两大神奇特性。因此，包括信息技术、生物医学、科学仪器、电力、交通运输等在内，超导几乎在所有涉及电和磁的领域都有用武之地。

“由于超导材料的超导电性都在较低的温度发生，其大规模应用严重受限。”王猛说。

王猛。

常规超导材料超导转变温度一般在40K（开尔文，40K相当于﹣233℃）以下。1986年，荷兰科学家缪勒和柏诺兹在一种铜氧化物材料中发现了35K（﹣238℃）的超导电性，随后，中国等多国科学家通过研究，将该材料的超导转变温度提高到90K（﹣183℃）以上，超过液氮温度77K（﹣196℃）。

即便如此，如今基于铜氧化物的高温超导技术，已经应用在生产生活和科学研究的诸多领域。

王猛介绍，除上述超导磁悬浮列车外，医院里常见的核磁共振成像仪，便是利用超导材料产生强磁场，提高成像精度；中山大学“天琴计划”测出国内最准的地月距离，则用到了超导单光子探测技术。

2022年在重庆展示的时速600公里高速磁悬浮交通系统。

令无数科学家为之着迷的是：除了铜氧化物之外，还有没有更多液氮温区非常规超导材料？其实现超导的机理又是什么？

“寻找液氮温区非常规超导材料，是因为液氮的制备成本比矿泉水还低，超过液氮温度意味着超导材料需要的低温环境更容易获得，因而也具有更大的应用潜力。”王猛解释。

发现第二个液氮温区非常规超导材料

温度是限制超导材料应用的一大门槛。

2008年，日本科研人员在一种铁砷基材料中发现了26K（﹣247℃）以下的超导现象。很快，中国科学家合成出多种铁砷材料，将超导温度提高到40K以上，最高达到55K（﹣218℃），但仍未抵达液氮温区。

“自1986年铜氧化物超导电性发现以来，经过37年的研究，铜氧化物超导体仍然是唯一的超导转变温度达到液氮温区的非常规超导材料，并且其高温超导的微观机理仍然是一个谜团，这也在很大程度上限制了科学家进一步研究超导电性。”王猛解释。

镍氧化物等与铜相近的过渡金属元素化合物，是科研人员寻找高温超导电性重点突破的方向。3年多来，王猛团队通过高压浮区法生长镍氧化物单晶样品，在镍氧化物中探索超导电性。

“镍氧化物具有多个结构体系，实验中要做到对不同结构体系镍氧化物的广泛覆盖。”团队成员、博士研究生霍梦五介绍，其中La₃Ni₂O₇体系单晶样品的生长对科研设备要求高、氧压范围条件苛刻，要获得高质量的单晶样品十分困难。

中山大学物理学院用于合成镍氧化物的科研设备。

借助中山大学物理学院公共科研平台配套的相关设备，研究团队经过两年多的实验，终于摸索出La₃Ni₂O₇体系单晶样品的生长条件，并在国际上率先报道了基本物理性质，为研究其超导电性奠定了基础。

在成功生长出高质量的La₃Ni₂O₇单晶样品后，王猛团队在压力下对其开展了导电性质研究，经过一系列反复试验，看到显著的超导转变证据，证明其在超过14GPa的压力下出现了80K的高温超导电性。这也意味着这种镍氧化物成为目前第二个进入液氮温区的非常规超导材料。

“现在人们可以在一个新的材料体系中进行非常规超导机理和应用研究。”王猛说。

王猛镍氧化物单晶样品。

为高温超导带来新的希望

这个发现迅速受到广泛关注和跟进研究，《自然》杂志审稿人更是给予高度评价。

如今，王猛团队已着手围绕镍氧化物的超导电性开展进一步的研究。他透露，目前La₃Ni₂O₇单晶样品还是在超过14吉帕的高压下出现高温超导电性，下一步将聚力寻找在常压下的液氮温区超导电性镍氧化物，“这将极大拓宽镍氧化物超导材料的实际应用场景”。

更为重要的科研方向则是对高温超导机理的研究。包括铜氧化物和铁基超导体在内的非常规超导材料的微观机理，至今是物理学的“老大难”问题。

王猛解释，高温超导的机理是全球科学界争夺的制高点，是“诺贝尔奖级别”的工作。今年3月，美国一所大学的研究团队宣布研发出一种在室温和相对较低压力条件下表现出超导性的材料，便在全球引发轰动，但其真实性仍有待验证。

王猛团队成员正在开展实验。

“围绕铜氧化物和镍氧化物高温超导体的共性开展研究，无疑有助于发现高温超导的机理。”王猛说，目前其实验室已接到各地科学家对La₃Ni₂O₇单晶样品的申请。王猛团队已经与国内10余个实验研究团队开展合作研究，并且已经取得了一些深入的成果。可以预见，超导研究将迎来新一波的热潮。

与王猛同为论文共同通讯作者的清华大学教授张广铭也认为，新的发现为人们理解高温超导的机理带来了很多重要启示，将有助于破解高温超导的微观机理，使设计和预测高温超导材料成为可能，并在液氮温区实现超导材料的广泛应用。

新的发现让物理学界十分兴奋，来自中国科学院物理研究所的罗会仟便在文章中写道，该发现无疑为高温超导带来了新的希望——镍基材料中很可能出现更多的超导体，甚至是高温超导体！

“经过铜氧化物超导体领域37年的研究，和铁基超导体15年的研究，科学家们早已积累了丰富的经验和深刻的认识，在镍基超导的助力下，高温超导机理之谜的破解将加速进程。”罗会仟说。

王猛2016年加入中山大学物理学院，如今担任学院副院长。他的研究课题包括高温超导机理、量子磁性材料、功能磁性材料等，已发表高水平学术论文70余篇。

“先进的科研平台与投入，是团队能够取得这一成果的前提。”在他看来，当前我国对基础研究愈发重视，为科研人员提供了有力的支撑。中山大学物理学院公共平台提供的具备La₃Ni₂O₇单晶样品生长条件的实验室，在全国不超过10家，世界上也是屈指可数。

这一突破性成果也使团队青年科学家大受鼓舞。

王猛团队。

1994年出生的霍梦五与中山大学物理学院副研究员孙华蕾是论文的共同第一作者。“这一研究成果是中国科学家的首次发现，是开创性的工作。”霍梦五说，当前我国对基础研究的高度重视与支持，使她坚定了继续向前沿科学未知领域探索的决心。