高溫超導(dǎo)機(jī)理是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的“世紀(jì)難題”。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)何俊峰教授研究組與南方科技大學(xué)薛其坤院士、陳卓昱副教授研究組合作，在新型鎳基高溫超導(dǎo)的機(jī)理研究中取得重大突破：首次在Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物高溫超導(dǎo)薄膜中直接觀測到無節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙并發(fā)現(xiàn)電子-玻色子耦合，為鎳基高溫超導(dǎo)機(jī)制的兩個(gè)核心問題“超導(dǎo)能隙對稱性”和“超導(dǎo)配對機(jī)制”提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。相關(guān)成果發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）雜志。

超導(dǎo)現(xiàn)象自1911年被發(fā)現(xiàn)以來，因其極限電磁性能，成為國際科學(xué)界的一個(gè)重要研究方向。傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度非常低，極大地限制其應(yīng)用場景。因此，探索高溫超導(dǎo)材料、理解高溫超導(dǎo)機(jī)理成為國際超導(dǎo)研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)之后的一個(gè)世紀(jì)，銅基和鐵基兩類高溫超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)；然而，由于高溫超導(dǎo)機(jī)理復(fù)雜，經(jīng)過幾十年的探索仍未破解。近期，鎳基高溫超導(dǎo)的出現(xiàn)，為理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的機(jī)遇。因此，率先獲得鎳基高溫超導(dǎo)機(jī)制的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)成為全球科學(xué)家的最新競技場。

新技術(shù)的突破：在前期研究中，南方科技大學(xué)薛其坤院士、陳卓昱副教授研究組在鎳氧化物薄膜中實(shí)現(xiàn)了常壓高溫超導(dǎo)（Nature 640, 641–646 (2025)），為探測鎳基高溫超導(dǎo)電子結(jié)構(gòu)提供了重要的材料窗口。在本項(xiàng)目研究中，中國科大與南方科大研究團(tuán)隊(duì)緊密合作。南方科大團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)優(yōu)化高溫超導(dǎo)薄膜生長，獲得高質(zhì)量樣品。針對薄膜容易丟失氧進(jìn)而失去超導(dǎo)的技術(shù)“卡點(diǎn)”，中國科大團(tuán)隊(duì)牽頭與南方科大團(tuán)隊(duì)聯(lián)合自主研發(fā)了基于液氮的超高真空低溫淬火與樣品傳輸新技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)樣品從深圳到合肥的“超高真空全冷鏈”傳輸。最終，運(yùn)用中國科大團(tuán)隊(duì)研制的高分辨率激光角分辨光電子能譜成功實(shí)現(xiàn)對高溫超導(dǎo)薄膜樣品的關(guān)鍵電子結(jié)構(gòu)探測，并結(jié)合上海同步輻射光源形成完備測量。此項(xiàng)電子結(jié)構(gòu)測量結(jié)果在Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物高溫超導(dǎo)薄膜中揭示了“無節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙”和“電子-玻色子耦合”現(xiàn)象，為“超導(dǎo)能隙對稱性”和“超導(dǎo)配對機(jī)制”這兩個(gè)高溫超導(dǎo)核心問題的理解提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

無節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙的發(fā)現(xiàn)：在高溫超導(dǎo)研究中，國際公認(rèn)“超導(dǎo)能隙對稱性”對于高溫超導(dǎo)機(jī)制的理解具有里程碑意義。因此，在新型鎳基高溫超導(dǎo)中探索“超導(dǎo)能隙對稱性”成為當(dāng)前國際高溫超導(dǎo)研究的最前沿。具體而言，超導(dǎo)能隙在動(dòng)量空間中是否有“節(jié)點(diǎn)”（超導(dǎo)能隙大小為0的點(diǎn)），是揭示超導(dǎo)能隙對稱性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)針對Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物 (La,Pr,Sm)3Ni2O7超導(dǎo)薄膜展開電子結(jié)構(gòu)測量，利用高分辨率的激光角分辨光電子能譜觀測到超導(dǎo)準(zhǔn)粒子相干峰，并進(jìn)一步揭示超導(dǎo)能隙大小及其動(dòng)量依賴，發(fā)現(xiàn)在材料整個(gè)動(dòng)量空間（布里淵區(qū)）中沒有能隙節(jié)點(diǎn)。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與d波節(jié)點(diǎn)能隙不同，與s波（s±）超導(dǎo)能隙對稱性更為符合。

圖1 無節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙示意圖

電子-玻色子耦合的發(fā)現(xiàn)：在高溫超導(dǎo)中，“電子配對”是形成超導(dǎo)的關(guān)鍵一步。理解電子如何配對也是解決高溫超導(dǎo)機(jī)制的一個(gè)核心問題。理論認(rèn)為，本應(yīng)當(dāng)相互排斥的兩個(gè)電子可能以某種玻色子為媒介（膠水），通過“電子-玻色子耦合”實(shí)現(xiàn)配對。研究團(tuán)隊(duì)通過對Ruddlesden-Popper相雙層鎳氧化物 (La,Pr,Sm)3Ni2O7超導(dǎo)薄膜電子結(jié)構(gòu)測量，在電子能帶色散中發(fā)現(xiàn)了費(fèi)米能級(jí)以下~70 meV處的能帶扭折--這是電子-玻色子耦合的典型譜學(xué)特征。通過定量分析，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了電子-玻色子耦合的存在。值得強(qiáng)調(diào)的是：類似的電子-玻色子耦合在銅基高溫超導(dǎo)中也存在。因此，這一現(xiàn)象在鎳基高溫超導(dǎo)中的發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)出重要的普適性，對理解高溫超導(dǎo)電子配對機(jī)制提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖2 電子-玻色子耦合的發(fā)現(xiàn)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為論文第一單位。在本項(xiàng)合作研究中，何俊峰教授負(fù)責(zé)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究工作，薛其坤院士和陳卓昱副教授負(fù)責(zé)南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究工作。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生沈建昌、繆宇、歐志鵬，南方科技大學(xué)副研究員周廣迪、助理研究員李鵬為論文共同第一作者。何俊峰教授、薛其坤院士和陳卓昱副教授為論文共同通訊作者。該研究得到科技部、教育部、基金委等項(xiàng)目支持。