鎳基超導再獲關鍵證據！中國科學家繪制出雙層鎳酸鹽'超導穹頂'

探索宇宙奧秘 · 理性思考

實現零電阻傳輸電流是物理學家的百年夢想。銅基超導體發現近四十年以來，尋找下一個高溫超導家族始終步履維艱。2023年，鎳酸鹽在高壓下展現超導特性，點燃了新希望。近日，南京大學團隊在這一領域再獲突破，他們繪制的"超導穹頂"相圖為理解鎳基超導機制提供了關鍵地圖。

超導穹頂是描述非常規超導體的重要相圖特征。它表現為超導轉變溫度隨載流子摻雜濃度變化呈現 dome 狀曲線，兩側是非超導的絕緣態或金屬態。這種結構在銅基超導體中普遍存在，是其高溫超導性的標志性指紋。

南京大學聶越峰教授團隊在國際權威期刊《物理評論快報》發表最新成果。他們在雙層鎳酸鹽 La?Ni?O? 薄膜中首次觀測到完整的超導穹頂結構。這一發現強有力地表明，鎳酸鹽與銅基超導體屬于同一類非常規超導機制。穹頂的存在意味著超導性對載流子濃度極其敏感，存在最優摻雜點。

制備鎳酸鹽薄膜需要原子尺度的精確控制。研究團隊采用反應分子束外延技術（MBE），這種技術被形象地稱為"原子樂高"。研究人員在單晶襯底上逐層堆疊鑭、鎳、氧原子，構建出僅數個納米厚的雙層結構。

薄膜生長面臨嚴峻挑戰。團隊通過兩種手段調節材料電子態：鍶原子替代部分鑭原子引入空穴，原位真空退火控制氧空位濃度。這兩個"旋鈕"協同作用，實現了載流子濃度的連續調控。聶越峰指出，精確測定多能帶體系的摻雜濃度極為困難，他們采用霍爾系數作為關鍵指標追蹤相變。

研究團隊發現了一個關鍵現象。當霍爾系數發生符號轉變時，材料的超導性能達到峰值。霍爾系數變號意味著主導載流子從空穴轉變為電子，這暗示費米面發生了重構。

這一現象與電子型摻雜的銅基超導體高度相似。在銅基材料中，此類轉變對應著反鐵磁關聯與超導競爭的復雜相互作用。鎳酸鹽中觀測到相同特征，表明兩者可能共享相似的物理機制：強關聯電子體系中的費米面不穩定性。這一發現為統一理解兩類高溫超導體提供了實驗基礎。

南京大學此次工作具有特殊意義。此前鎳酸鹽超導多依賴高壓環境，而薄膜技術為常壓下實現高溫超導提供了可能路徑。中國已建立起從塊體材料到薄膜器件的完整研究鏈條。聶越峰團隊十五年來深耕氧化物分子束外延技術，這項積累使他們在國際競爭中占據優勢。

下一步，團隊計劃利用角分辨光電子能譜直接觀測費米面演化。理解鎳酸鹽超導的微觀機制，將指導設計常壓下更高轉變溫度的超導材料。這場關于"鎳時代"的探索，中國科學家正在書寫重要篇章。

Maosen Wang et al., "Superconducting dome in La???Sr?Ni?O??δ thin films," Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/qrkk-l2ng. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2508.15284