中大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。
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。
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℃）。
“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。
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。
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？
发现第二个液氮温区非常规超导材料
这一次，王猛团队发现的具备高温超导电性的镍氧化物，是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。
温度是限制超导材料应用的一大门槛，而科学家努力寻找的非常规超导材料，则是指不能用现有超导理论解释、一般超导转变温度高于40K的材料。
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。
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，终于摸索出这一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单晶样品后，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（吉帕）的压力下出现了80K的高温超导电性。
将推动高温超导机理的破解
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科研，其中一个重要的方向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。
“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具备高温超导电性单晶样品的申请。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。”他说。
这一突破性成果也使团队青年科学家大受鼓舞。
1994年出生的霍梦五与中山大学物理学院孙华蕾副研究员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。
对话
中大教授王猛：
偶然性让科学研究魅力无穷
中山大学南校园的中轴线上，有一座近百年历史的哲生堂。这座红砖绿瓦、古色古香的建筑里，物理学院副院长王猛正在进行一项超前的工作：合成一种镍氧化物（La3Ni2O7），研究全新高温超导体系。
“我们正在合成镍氧化物，5个小时过去了，它只‘长’了一厘米。”站在实验室高温高压光学浮区炉前，王猛说，在率先独立发现全新高温超导体系后，国内外科研团队纷纷提出了实验材料申请，需求量大增。
“我们的运气比较好，偶然性本来就是科学的无穷魅力。”谈及在《自然》杂志上发表的最新研究成果，王猛笑着说，很多重要的科学发现其实都有偶然性，但偶然性的背后也存在必然性，就是要有大量探索工作，有许许多多小的成果和发现的积累。
科学研究常常“无心插柳柳成荫”
南方日报：1986年荷兰科学家发现铜氧化物超导体那年，你刚刚出生。37年后，你和团队在这个领域取得新突破，有什么感受？
王猛：能够取得这样的突破成果，我们还是挺幸运的。37年这个时间点，应该说是巧合。但在科学史上，很多重要的科学发现都有偶然性，因为基础研究没有标准答案，标准答案要在科学家的自由探索中产生。
15年前，日本科学家细野秀雄发现铁基超导体，他的本意是研究透明导电材料，却意外地发现了第一个以铁为超导主体的化合物（LaFeOP），从而推翻了铁磁性与超导不相容的旧认识。这个成果被《科学》杂志评选为当年“世界十大科技进展”之一。
科学研究常常“无心插柳柳成荫”。基础研究探索的是人类知识的边缘，大自然的很多规则超出现有认知，没有方向指引，没有既定目的地，但这也正是科学的魅力所在。
南方日报：大家都很感兴趣，怎么找到具备高温超导电性镍氧化物的？
王猛：自1911年荷兰科学家发现汞的零电阻现象以来，超导研究已有百余年历史。超导的实现需要极低的温度，即超导转变温度，为了更好地利用超导材料，科学家一直在苦苦寻找超导转变温度更高的超导体。直到1986年，科学家在一种铜氧化物材料中发现了35K（开尔文）的超导电性，随后被包括中国科学家在内的多国科学家将超导转变温度提高到90K以上，超过液氮温度77K。液氮的成本很低，大大拓宽了超导材料的实际应用场景。
发现铜氧化物超导体之后，科学家们继续寻找与铜在元素周期表相近的物质，希望能找到第二种液氮温区非常规超导材料。镍氧化物并不神秘，之前很多科学家也在做实验，但可能因为材料纯度、大气压强以及实验条件等，都没能得到我们发现的实验结果。
说这次发现有偶然性，是因为三年多前我们启动研究时，就直接把目标锁定在了镍氧化物。镍氧化物的种类很多，大概有90多种，但我们最终选定了9种进行实验，最后发现了La3Ni2O7单晶在压力下实现超导，转变温度达到液氮温区，高达80K。
南方日报：这一发现，哪几个环节最为关键？
王猛：我想有三个环节非常关键：第一步是选定了镍氧化物作为研究对象，第二是在实验室合成了高质量的单晶样品，第三步是放在14GPa（吉帕）的环境下测量发现超导电性。三个关键步骤，步步有偶然，步步有突破，最终才能意外地收获惊喜。
南方日报：偶然的背后是否也有必然？
王猛：当然有。必然性首先体现在“硬核”的科研设备支撑。几年来，中山大学物理学院建立了公共科研平台，向不同的课题组开放共享，其中不乏性能国际领先的仪器设备。我们在此次研究中用来合成镍氧化物的高温高压光学浮区炉，是比较昂贵的，也是非常关键的。没有这台仪器，后续的研究便是空中楼阁，无从谈起。
其次，重大发现的前提是大量探索性的工作。研究过程中我们不断取得小的成果和发现，像在去年合成出高质量的La3Ni2O7单晶样品，并在国际上率先进行系统研究，相关成果就发表在国内顶级学术期刊《中国科学》（英文版）上。这些小的成果和发现，对于团队来说也是一种激励和鼓舞。
再次就是国内科研团队之间的合作。研究中，我们不仅与中山大学校内专家、平台合作，如依托中山大学国家超级计算广州中心进行理论计算工作，而且与华南理工大学、中国科学院物理研究所、北京同步辐射装置等高校院所合作，借助他们的平台、设备，全面测得了这种镍氧化物实现超导的数据，为进一步研究奠定了基础。在理论上我们也与清华大学、中山大学等高校的专家合作。
这也充分说明了科研要聚八方之智。而在这方面，我国明显有着科研联合攻关的制度优势。
开启超导新的研究路径
南方日报：可以说，在镍氧化物中发现高温超导电性，开启了超导研究的新路径。你的下一个目标是什么？
王猛：在超导研究领域，我一直有两个明确目标：在材料研究方面希望突破常压下的镍氧化物超导和实现更高的超导转变温度，在机理研究方面希望推动高温超导机理的解决。
镍氧化物高温超导体的发现，为学界开启了新的研究路径，也受到了广泛关注。目前已有北京大学、浙江大学、南京大学、中科院物理所、中国科学技术大学等高校院所申请对样品进行合作研究。在正式发表前的审稿阶段，文章在科研论文预印平台公布，在一个月左右的时间里已有10余篇理论和实验文章相继发表。可以预见，镍氧化物高温超导研究将迎来新一波热潮。
南方日报：超导为什么这么“火”？
王猛：因为机理未知，高温超导一直是国际物理学界的研究热点，十分迷人。我有时鼓励学生：如果想拿诺贝尔奖，就做超导研究。目前在这一领域已产生5个诺贝尔奖，中国科学家也因超导领域的突破两次获得国家自然科学一等奖、一次国家最高科学技术奖。
南方日报：可以畅想一下，未来的应用空间是否更广阔？
王猛：高温超导应用前景广阔，基础研究的重大突破有望给人们生活带来重大改变：高速磁悬浮列车、核磁共振功能成像等便用到了超导体完全抗磁性和零电阻的特征；商用超导电缆、超导磁储能、超导强磁体电磁感应加热……一旦实现技术突破，超导材料应用有着极大想象空间。
现在我们到医院做核磁共振，机器上有一大圈包裹，其工作原理就是液氦降低温度，从而实现超导，对身体进行检查。假如有一天我们能实现室温超导，那就不用氦降温了，只需要一圈金属丝，就能实现同样的效果，成本会大幅降低。所以，超导研究的每一步进展，都可能给人类的生活带来翻天覆地的改变。
一手研究要掌握在中国人自己手中
南方日报：你之前在吉林大学、中科院求学，7年前在海外深造回国后选择加入中山大学。是什么让你选择了广东？
王猛：当时我在国外开展博士后研究，面临找工作的问题。了解到国家正在广东东莞建设中国第一个散裂中子源，而且进展顺利，多选题瞬间变成了单选题——去中山大学，做中子散射。
我出国之前，我国并不具备中子散射研究的实验条件，中国人想做研究，要向其他国家中子源申请。5年前，中国散裂中子源正式投入运营，成为世界第4台脉冲式散裂中子源，然后我就开始推进与中国散裂中子源合作建设中大谱仪——高能非弹性中子散射谱仪。目前，中大谱仪正在加紧建设中，预计今年9、10月份就能投用。到时我们将利用中子谱仪观察镍氧化物的微观结构，获取磁性、自旋动力学等数据，有可能为高温超导机理研究带来全新的认识。
南方日报：现在国内外科学家都在申请样品开展研究，但实验室的合成速度并不算快。
王猛：国内的超导研究走在世界前列。现在我们的单晶样品已经提供给国内多个科研团队。我想，我们在材料实现了领先，后面的理论和材料的系统研究，也会走在世界前列。将材料、率先获取的一手实验数据掌握在手中，我们就有可能率先获得新的科学发现。
南方日报：基础研究比较枯燥，你怎么坚持下来的？
王猛：重大成果的取得有偶然因素，但从事科学研究本身就是一件有趣的事。如果认为基础研究比较枯燥，是坐“冷板凳”，多半是因为不享受科研过程，那就大概率不会做得长久或做得很好。在我看来，科研是一种生活状态，也是日常工作，应当尽力去做得更好。
原文链接：https://epaper.southcn.com/nfdaily/html/202307/14/content_10067323.html
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【中国科学报】科学家发现首个液氮温区镍氧化物高温超导体
https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/7/504759.shtm
【羊城晚报】中大团队全球首次发现镍基高温超导体 将有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能
http://ep.ycwb.com/epaper/ycwb/html/2023-07/14/content_1_586503.htm
【深圳特区报】中山大学王猛团队发现全新高温超导体 将有望使设计和预测高温超导材料成为可能
http://sztqb.sznews.com/PC/content/202307/14/content_3093359.html
【广东新闻联播】从“0”到“1”重大突破 中山大学科学家发现全新高温超导体
https://www.gdtv.cn/tv/c94b5adbe5edfd22d34666575a7a76a7
