據(jù)位于四川成都的電子科技大學(xué)消息，3月2日，該校物理學(xué)院?jiǎn)塘航淌趫F(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)新材料研究領(lǐng)域取得重大突破，為鎳基超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)辟了嶄新的思路。該研究結(jié)果在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上。

電子科技大學(xué)物理學(xué)院?jiǎn)塘航淌趫F(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)新材料研究領(lǐng)域取得突破，相關(guān)論文在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上。

研究人員首次發(fā)現(xiàn)，鎳基超導(dǎo)體——無(wú)限層鎳氧化物超導(dǎo)體——之所以擁有超導(dǎo)電性的關(guān)鍵性元素是氫（H）。氫元素就像一只“看不見(jiàn)的手” ，在無(wú)限層結(jié)構(gòu)鎳基氧化外延單晶薄膜的制備過(guò)程中，起到改變費(fèi)米面電子結(jié)構(gòu)的作用。

此外，研究人員還首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到奇異電子態(tài)（間隙位s軌道）。

研究人員首次發(fā)現(xiàn)，鎳基超導(dǎo)體之所以擁有超導(dǎo)電性的關(guān)鍵性元素是氫。

3月2日，前述論文的通訊作者之一、電子科技大學(xué)物理學(xué)院教授喬梁向澎湃科技表示，這是鎳基超導(dǎo)領(lǐng)域的第二篇《自然》期刊論文。上一篇這樣的論文，是4年前、2019年美國(guó)斯坦福大學(xué)發(fā)現(xiàn)鎳基超導(dǎo)材料，把這種材料從無(wú)到有制造出來(lái)了。但這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展一直比較困難，因?yàn)椴恢罏槭裁此梢猿瑢?dǎo)，以及其他課題組做出的類似樣品為什么不超導(dǎo)。目前全世界只有很少幾個(gè)課題組可以做出鎳基超導(dǎo)樣品來(lái)。

喬梁告訴澎湃新聞，“我們這是一個(gè)基礎(chǔ)研究”，比較革命性，首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了氫的存在，發(fā)現(xiàn)氫對(duì)鎳基超導(dǎo)很重要，并從實(shí)驗(yàn)和原理層面解釋了氫對(duì)超導(dǎo)的貢獻(xiàn)，同時(shí)告訴大家，之前的很多相關(guān)論文以及理論都不完全準(zhǔn)確，因?yàn)橹巴耆珱](méi)有考慮到氫的存在和作用，所以，這個(gè)研究成果可以從源頭上加深我們對(duì)超導(dǎo)的理解。

喬梁表示，雖然我們目前發(fā)現(xiàn)了為什么之前這個(gè)材料不太好制備的原因，可以有效推進(jìn)鎳基超導(dǎo)領(lǐng)域的研究，但如何非常方便、非常簡(jiǎn)單、有效、精準(zhǔn)地調(diào)控氫的摻入，還有很多問(wèn)題要解決。

喬梁解釋說(shuō)，他們研究發(fā)現(xiàn)，鎳基材料中的氫一方面“殺死”間隙位s軌道，超導(dǎo)就出現(xiàn)；但是當(dāng)氫再多一點(diǎn)，摻雜效應(yīng)就出來(lái)了，“過(guò)猶不及”。

由于大量超導(dǎo)材料的研究都要在超低溫環(huán)境下進(jìn)行，喬梁向澎湃科技表示，希望有機(jī)會(huì)在太空的天然超低溫環(huán)境下開(kāi)展相關(guān)研究，并測(cè)試相關(guān)材料的應(yīng)用。

對(duì)于無(wú)限層鎳氧化物超導(dǎo)體中的“無(wú)限層”，喬梁表示，通過(guò)化學(xué)的方法，這種材料中特定結(jié)構(gòu)位置的氧原子被奪走，無(wú)限層”可以被理解成二維平面結(jié)構(gòu)的材料，只有X軸和Y軸。

（a）RIXS實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的IIS軌道激發(fā)；（b）DFT理論計(jì)算的IIS軌道；（c）IIS軌道與Ni3dx2-y2、Ni3dz2、Nd5dz2、O2p等軌道的雜化示意圖。

據(jù)介紹，鎳基超導(dǎo)研究是當(dāng)前凝聚態(tài)物理的前沿領(lǐng)域，對(duì)于揭示高溫超導(dǎo)的本征物理機(jī)制和新一代超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。

自2019年美國(guó)斯坦福大學(xué)Hwang教授課題組率先在基于無(wú)限層結(jié)構(gòu)的鎳氧化物外延薄膜（Nd0.8Sr0.2NiO2）中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性以來(lái)，鎳基超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展并不順利。雖然鎳基超導(dǎo)的一些新現(xiàn)象相繼被報(bào)道，但其超導(dǎo)的起源之謎和樣品制備難度大、不同課題組間的重現(xiàn)性差，成為困擾該領(lǐng)域的兩大難題，制約著鎳基超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展。

一般來(lái)說(shuō)，物理規(guī)律是客觀存在的。當(dāng)不同科學(xué)家的課題組制備的材料樣品頻繁出現(xiàn)“性能不能重現(xiàn)”的問(wèn)題時(shí)，第一直覺(jué)就是材料內(nèi)部可能存在著不為人知的“隱變量”，從而“悄悄”改變了制備出的材料的物理性能。

喬梁團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)深入的研究，利用極高元素敏感性的飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）發(fā)現(xiàn)鎳基超導(dǎo)外延薄膜中存在大量的氫元素。

氫元素對(duì)無(wú)限層鎳氧化物超導(dǎo)電性是否有影響呢？該團(tuán)隊(duì)通過(guò)極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)輸運(yùn)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，在Sr含量不變的情況下，通過(guò)調(diào)控H元素的含量，可以實(shí)現(xiàn)“弱絕緣→超導(dǎo)→弱絕緣”的連續(xù)相變，說(shuō)明H元素的確對(duì)超導(dǎo)電性的出現(xiàn)有關(guān)鍵的作用。進(jìn)一步，這些結(jié)果可以解釋為什么鎳基超導(dǎo)外延薄膜的生長(zhǎng)如此困難，在世界范圍內(nèi)僅有少數(shù)課題組可以成功制備零電阻超導(dǎo)樣品，而且樣品重復(fù)性差。主要原因就是之前不同課題組的實(shí)驗(yàn)，有可能沒(méi)有考慮到H元素的存在對(duì)超導(dǎo)的影響，沒(méi)有精確控制樣品的H含量。

為了進(jìn)一步理解H元素究竟是怎樣影響鎳基材料超導(dǎo)電性的，并揭示其微觀機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)基于同步輻射的共振X射線非彈性散射（RIXS）技術(shù)和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算研究了鎳基超導(dǎo)體費(fèi)米面附近的電子結(jié)構(gòu)，首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到了奇異電子態(tài)，即巡游的間隙位s軌道（IIS），并結(jié)合理論發(fā)現(xiàn)H元素與IIS軌道的雜化，有利于降低Ni3d-Nd5d和Ni3d-IIS的軌道耦合，促進(jìn)超導(dǎo)態(tài)的出現(xiàn)。

這表明，氫元素就像一只“看不見(jiàn)的手”，在無(wú)限層結(jié)構(gòu)鎳基氧化外延單晶薄膜的制備過(guò)程中悄悄地起到改變費(fèi)米面電子結(jié)構(gòu)的作用，并在鎳基材料超導(dǎo)電性的產(chǎn)生過(guò)程中扮演著關(guān)鍵性的角色。該研究結(jié)果糾正了我們對(duì)該類材料電子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，為理解鎳基超導(dǎo)的物理起源提供了關(guān)鍵信息，也為未來(lái)的深入理解鎳基超導(dǎo)的相關(guān)物理和材料性能，提供了準(zhǔn)確的物理模型。

作為自然界最簡(jiǎn)單的、元素周期表排名第一的元素，氫原子具有最小的原子半徑和原子質(zhì)量，因此氫與常規(guī)探測(cè)媒介（光子、電子等）相互作用弱、散射截面小，導(dǎo)致其很難被探測(cè)到。

在科學(xué)歷史上，氫元素曾經(jīng)制造過(guò)幾起著名的“懸疑事件”。典型的例子之一就是基于GaN的藍(lán)光二極管（LED）的故事。早在上世紀(jì)80年代，制造藍(lán)光LED的主要技術(shù)限制是缺乏穩(wěn)定且有效的P型GaN。在實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們通過(guò)技術(shù)途徑在Mg摻雜的GaN中實(shí)現(xiàn)了P型導(dǎo)電和藍(lán)光LED后若干年，理論科學(xué)家才揭開(kāi)了這個(gè)謎團(tuán)：一方面，氫通過(guò)形成MgGa-H“缺陷對(duì)”，有助于穩(wěn)定P型摻雜GaN的晶格結(jié)構(gòu)；另一方面，氫離子的介入“暗中”補(bǔ)償了MgGa缺陷誘導(dǎo)的空穴摻雜效果，導(dǎo)致P型摻雜的GaN不導(dǎo)電。而發(fā)現(xiàn)“隱藏的”氫元素、并進(jìn)一步克服氫元素帶來(lái)的問(wèn)題，成為成功實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LED 產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，也帶我們進(jìn)入了當(dāng)今五彩繽紛的LED時(shí)代。

電子科技大學(xué)物理學(xué)院為前述最新發(fā)表的論文的第一完成單位。電子科技大學(xué)喬梁、英國(guó)Diamond光源周克瑾、北京計(jì)算科學(xué)研究中心黃兵等為論文的共同通訊作者。該研究還得到了來(lái)自成都大學(xué)、北京大學(xué)和澳大利亞新南威爾士大學(xué)等課題組的鼎力支持。