我国科学家通过原子级精准工程创制新型常压镍基氧化物超导材料

　　南方科技大学量子功能材料全国重点实验室和物理系、粤港澳大湾区量子科学中心、清华大学薛其坤-陈卓昱团队，与中国科学技术大学沈大伟团队等合作，在常压镍基高温超导领域再获突破。团队2026年4月8日在国际学术期刊Nature发表最新研究成果，在极端氧化条件下通过人工设计原子堆叠序列，创制出单层-双层超结构和双层-三层超结构两种全新常压高温超导体；与此同时，研究团队还结合角分辨光电子能谱(ARPES)，识别出了超导态对应的电子能带结构，为破解高温超导机理提供了关键实验依据。此前，该团队在国产学术期刊National Science Review上报道，已将纯双层结构薄膜的常压超导起始转变温度大幅提升至60 K以上。
 

　　上述成果是在2024年末同一团队发现并确立常压镍基高温超导电性(2025年发表于Nature)的基础上取得的重要进展。从实现常压镍基高温超导，到提升超导性能，再到人工创制全新超导材料并揭示其电子结构起源，这一系列突破彰显了自主研发的“强氧化原子逐层外延”(GAE, 2025年发表于National Science Review)薄膜生长技术在新型量子材料创制领域的国际引领地位，也体现了我国在高温超导这一前沿科研方向上的持续自主创新能力。
 

　　像“搭积木”一样，在原子层面设计并构造全新超导体
 

　　高温超导是凝聚态物理领域最重要的研究前沿之一。继铜基和铁基高温超导体之后，镍基材料被认为是有希望揭示高温超导机理的第三类体系。然而，镍基超导材料的合成与控制面临一个根本性的矛盾：实现超导所必需的高度氧化状态，与实现晶格稳定生长之间存在热力学冲突。这就好比要同时烧制瓷器的瓷胎和釉面——瓷胎成型需要温和稳定的环境，釉面显色则需要猛火强氧，两道工序的条件针锋相对，传统方法很难兼顾。
 

　　研究团队自主研发的“强氧化原子逐层外延”(GAE)技术，巧妙地破解了这一难题。该技术营造出超强的氧化氛围，开辟出一个极端非平衡的生长区间，使薄膜在生长过程中一步完成结构构建与充分氧化。这如同在纳米世界中，一边逐层搭建“原子积木”，一边实时锁定每一层的化学状态，按照人工设计的蓝图，精确排列镧、镨、镍等原子，从而构建出从纯双层到复杂超结构等一系列晶体质量趋于完美的超导薄膜。这种在超强氧化条件下的原子级工程能力，代表了氧化物薄膜外延生长领域的技术跨越，不仅为镍基超导研究提供了独一无二的实验平台，也为破解各类氧化物材料的缺氧难题提供了全新的解决思路。
 

　　凭借这一技术，研究团队先是将去年发现的纯双层结构(简称2222，化学式为：(La,Pr)3Ni2O7/SrLaAlO4，其中SrLaAlO4为基底材料)超导薄膜的常压超导起始温度从此前的约45 K推升至63 K，零电阻温度和抗磁性亦均大幅提升；又按照人工设计的原子堆叠蓝图，精确合成出单层-双层超结构(简称1212，化学式为：(La,Pr)5Ni3O11/SrLaAlO4)、单层-三层超结构(简称1313，化学式为：(La,Pr)3Ni2O7，该超结构与2222具有相同的化学式但结构不同)、和双层-三层超结构(简称2323，化学式为：(La,Pr)7Ni5O17/SrLaAlO4)三种全新的镍基超结构材料，并发现1212和2323在常压下可实现高温超导，起始转变温度分别达到50 K和46 K，均突破了传统超导理论中的"麦克米兰极限"，而1313仅呈现金属性。从提升已知材料的超导温度，到创制自然界中不存在的全新超导体，这一步步跨越充分体现了GAE技术在超强氧化氛围下对材料进行原子级精度操控的卓越能力。
 

　　“看清”超导电子的能量动量结构，为破解高温超导难题提供关键钥匙
 

　　发现新的超导体只是第一步，理解超导从何而来才是核心目标。研究团队将原子级精准的结构控制与角分辨光电子能谱(ARPES)相结合，对四种不同堆叠结构1212、2222、1313和2323的镍基氧化物薄膜进行了系统的比较研究。
 

　　ARPES好比一台能够“拍摄”材料内部电子运动状态的超级相机，可以直接观测电子的能量-动量状态分布。研究发现，在超导的1212、2222和2323结构中，布里渊区顶角附近均存在一个被称为γ能带形成的费米口袋；而在不超导的1313结构中，这一γ能带则未能形成费米口袋。这一发现从实验上表明了原子堆叠构型、电子能带与超导电性之间的关联，识别出了决定超导发生与否的“电子基因”，为揭示镍基高温超导的微观机制提供了明确的实验证据。
 

　　从自主研发极端条件下的薄膜生长技术，到创制自然界不存在的全新超导材料，再到利用先进谱学手段揭示超导态的电子结构起源——这一系列成果展现了一条从技术突破、材料创制到物理机理探索的完整创新链条。镍基超导体与铜基、铁基超导体具有不同的电子结构特征，三者的对比研究将为最终破解高温超导这一世纪难题提供关键钥匙，也将为能源、信息、量子计算等领域的未来技术变革奠定科学基石。
 

　　本研究第一完成单位为南方科技大学量子功能材料全国重点实验室与物理系。南科大硕士生聂子豪、研究助理教授李月莹、博士生吕威、博士生徐立智，以及中科大博士后江志诚为本文共同第一作者。中科大沈大伟教授、量子中心李鹏助理研究员、薛其坤院士、南科大副教授/量子中心双聘研究员陈卓昱为共同通讯作者。文章作者还包括贾金锋院士，以及南科大教授/量子中心双聘研究员林君浩。
 

　　锚定量子科技前沿，量子功能材料全国重点实验室实现新突破
 

　　量子功能材料全国重点实验室(以下简称“实验室”)作为第一完成单位，以重大科学问题牵引联合攻关，充分体现了“有组织科研”在啃基础研究“硬骨头”时的核心驱动力。该实验室由南方科技大学牵头，联合上海科技大学共同组建，于2024年获科技部批准建设。实验室面向国家在量子科技领域的重大战略需求，定位于应用基础研究，聚焦量子功能材料的智能设计、原子级精准制备及基于大科学装置的全自由度超高分辨表征研究，致力于推动量子功能材料在信息与能源领域的应用。
 

　　实验室汇聚了一支由战略科学家领衔，170余人规模的高水平科研团队。实验室由贾金锋院士担任主任，林君浩教授担任常务副主任，核心成员包括2位中国科学院院士及90余位国家级高层次人才，45岁以下青年科研人员占比超过70%。2025年，实验室有6人获国家自然科学基金青年科学基金项目(A类)支持(其中1人获延续项目支持)，获批国家级科研项目32项、省部级科研项目9项、重大横向项目3项，科技经费总计逾6000万元；团队成员2025年累计在Nature等国际顶尖期刊发表SCI论文59篇，授权专利16项、在审专利50项。
 

　　自实验室组建以来，已参与取得多项重大成果突破，有力支撑和引领我国量子科技的发展。包括2025年发表在Nature的成果“常压下镍氧化物的高温超导电性”，2025年发表于Nature的“自旋空间群理论与非常规磁性”研究，以及本次发表的“镍氧化物超结构的高温超导电性发现与电子结构研究”等。此外，实验室还取得了多项成果：在二维二硒化钯(PdSe2)中首次揭示了一种传统固体相变中前所未有的“潜伏相变”行为；提出了一种在A型反铁磁中表征与操控奈尔序的有效方法，为层状材料中反铁磁态的调控提供了通用途径；创新开发出一种新型准固态离子热电循环(t-ITC)系统；创新性引入单光子计数(SPC)、电激发-光激发(EL-PL)联合测试等技术追踪电子在QLED中的输运路径，揭示QLED稳定性差和性能衰减与电子泄漏行为之间的内在联系；利用低剂量电子显微成像方法解释了卤化物钙钛矿材料的表面边缘和内部缺陷的原子结构。
 

　　目前实验室布局了四大优势研究方向：材料设计与计算、材料制备与调控、大科学装置与材料表征、材料功能与器件。实验室通过整合南科大、上科大两所新型研究型大学优势学科资源及顶尖科研力量，并实现深沪两地X射线自由电子激光、同步辐射光源、材料基因组等大科学装置的优势互补，助力国家级重大项目取得突破，合力打造量子材料研究领域的国家战略科技力量。