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此前，中山大學(xué)物理學(xué)院教授王猛團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體La3Ni2O7 。該成果在《自然》發(fā)表后，便引發(fā)了新一輪高溫超導(dǎo)研究熱潮。

而中山大學(xué)物理學(xué)院的另一位教授姚道新，則率先開(kāi)始破譯鎳氧化物的超導(dǎo)機(jī)理。

不久前，姚道新團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出雙層鎳氧超導(dǎo)體的多軌道模型，并分析了其電磁性質(zhì)。發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的這項(xiàng)成果，對(duì)于理解新型鎳基超導(dǎo)體的微觀(guān)圖像和超導(dǎo)機(jī)理起到重要作用。

“發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳基超導(dǎo)體，中國(guó)科學(xué)家占據(jù)第一，理論研究我們也不能落后，不然就對(duì)不起這樣的機(jī)遇。”姚道新對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。

發(fā)現(xiàn)鎳基超導(dǎo)體之后

穿過(guò)中山大學(xué)廣州校區(qū)南校園東南區(qū)的一片竹林，就到了冼為堅(jiān)堂。40年前，在楊振寧先生的親自推動(dòng)下，中山大學(xué)高等學(xué)術(shù)研究中心在此落戶(hù)。這里也被寄予了促進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科研究的厚望。

姚道新的辦公室就在冼為堅(jiān)堂二樓。窗外，隨風(fēng)微動(dòng)的竹葉透過(guò)窗戶(hù)映在姚道新滿(mǎn)是書(shū)籍和獲獎(jiǎng)證書(shū)的書(shū)架上。他們團(tuán)隊(duì)很多新型鎳基高溫超導(dǎo)體理論研究的重要工作，就是在這間辦公室里完成的。

今年初，王猛團(tuán)隊(duì)對(duì)花了兩年時(shí)間生長(zhǎng)出來(lái)的La3Ni2O7單晶材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驚喜地發(fā)現(xiàn)其不僅超導(dǎo)，而且超導(dǎo)溫度達(dá)到了液氮溫區(qū)。

這個(gè)重磅發(fā)現(xiàn)最終在《自然》發(fā)表。姚道新則深度參與其中，撰寫(xiě)完成了論文的理論部分，分析了高溫超導(dǎo)的可能因素。但對(duì)于由此引發(fā)的一個(gè)全新研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

“鎳基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，不僅意味著中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了繼銅氧化物之后的第二種全新的高溫超導(dǎo)體系，更在于通過(guò)比較研究，有可能推動(dòng)科學(xué)家揭示高溫超導(dǎo)機(jī)理，設(shè)計(jì)新的更多更容易應(yīng)用的高溫超導(dǎo)材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。”王猛說(shuō)。

因此，對(duì)于這一新型超導(dǎo)體，理解該材料體系的超導(dǎo)機(jī)理及其獨(dú)特的物理機(jī)制顯得尤為重要。“第一篇基礎(chǔ)性的理論研究論文最好形成定量化的物理模型，能夠準(zhǔn)確描述該類(lèi)超導(dǎo)體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、電子能帶性質(zhì)及電學(xué)磁學(xué)性質(zhì)，成為連接實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和后續(xù)理論的橋梁，同時(shí)有利于指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。”姚道新說(shuō)。

提出鎳基超導(dǎo)體的多軌道模型

兩點(diǎn)睡、七點(diǎn)起，這是姚道新今年上半年的常態(tài)。在最后沖刺的一周里，他直接住在了辦公室。

4月的一天，在去福州參加學(xué)術(shù)會(huì)議的飛機(jī)上，姚道新用隨身攜帶的紙筆寫(xiě)下了理論模型框架，并發(fā)給了團(tuán)隊(duì)。

“這個(gè)模型相當(dāng)于指明了出發(fā)點(diǎn)到目的地之間的一條路，是最根本的部分。有了這個(gè)模型，我們的方向就明朗了。”姚道新團(tuán)隊(duì)成員胡訓(xùn)武博士說(shuō)。

然而，數(shù)據(jù)的處理和模型的建立仍需要大量工作。“回想當(dāng)時(shí)的感覺(jué)，一是興奮，能參與這么重要的研究可遇不可求；二是急迫，搞科研講究時(shí)效性，同一項(xiàng)工作，晚了就會(huì)失去先機(jī)，錯(cuò)過(guò)了。”另一位團(tuán)隊(duì)成員羅志輝博士說(shuō)。

為此，姚道新聯(lián)手中山大學(xué)副教授吳為，全力以赴致力于理論模型的研究。

姚道新團(tuán)隊(duì)利用密度泛函理論對(duì)高壓相的雙層鎳基超導(dǎo)體進(jìn)行了系統(tǒng)性計(jì)算，建立了一個(gè)雙層兩軌道模型，準(zhǔn)確反映了費(fèi)米面和電子能帶，表明了層間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性，分析了鎳基化物超導(dǎo)配對(duì)的關(guān)鍵因素。

在此基礎(chǔ)上，姚道新團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步考慮了氧軌道的貢獻(xiàn)，并提出一個(gè)高能的11軌道模型。該模型有助于分析鎳的超交換過(guò)程和氧的摻雜效應(yīng)。

這篇論文正式發(fā)表之前于今年5月在預(yù)印本文庫(kù)arXiv上公布。隨后美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、瑞士、俄羅斯、日本等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)都跟進(jìn)了鎳氧超導(dǎo)體的理論和實(shí)驗(yàn)研究，而幾乎所有的研究都引用了姚道新團(tuán)隊(duì)的成果。

這意味著，鎳基超導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)和理論研究的第一篇論文，均出自中國(guó)科學(xué)家之手。

“當(dāng)時(shí)壓力非常大，每天都上平臺(tái)看一下理論研究進(jìn)展。我擔(dān)心的不僅是被別國(guó)的科學(xué)家搶先，更擔(dān)心對(duì)方的論文做得非常粗糙還搶了先，讓我們的研究陷入被動(dòng)。”姚道新說(shuō)。

從跟跑到領(lǐng)跑

今年8月，在寧夏大學(xué)召開(kāi)的中國(guó)物理學(xué)會(huì)秋季學(xué)術(shù)會(huì)議上，大會(huì)特別新增“鎳基超導(dǎo)體”的專(zhuān)場(chǎng)報(bào)告會(huì)，并邀請(qǐng)王猛和姚道新作報(bào)告。當(dāng)時(shí)臺(tái)下座無(wú)虛席，反響熱烈。

姚道新團(tuán)隊(duì)的成果在《物理評(píng)論快報(bào)》正式刊登，標(biāo)志著繼全球率先發(fā)現(xiàn)新型雙層鎳氧化物超導(dǎo)體后，中國(guó)科學(xué)家又在其機(jī)理研究上取得領(lǐng)先成果。

超導(dǎo)材料具備絕對(duì)零電阻、完全抗磁性和宏觀(guān)量子隧穿效應(yīng)的特殊性質(zhì)，具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值，是國(guó)際上重要的科學(xué)前沿。

“我進(jìn)入超導(dǎo)研究領(lǐng)域已經(jīng)30年了，親身經(jīng)歷了中國(guó)科學(xué)家從跟跑到并跑，再到領(lǐng)跑的過(guò)程。”姚道新說(shuō)，“我一開(kāi)始是研究銅基超導(dǎo)的，它就像一個(gè)已經(jīng)挖了10多年的礦，突破會(huì)很艱難。而鎳基超導(dǎo)就像是我們新發(fā)現(xiàn)的礦，有許多新的東西可以挖掘。”

在姚道新看來(lái)，有志者事竟成，很多事情在于堅(jiān)持。“有過(guò)去幾十年的積累，才能在機(jī)遇出現(xiàn)的時(shí)候抓住機(jī)會(huì)。”

此時(shí)，中國(guó)的研究條件也有了很大改善，中山大學(xué)高等學(xué)術(shù)研究中心、物理學(xué)院公共科研平臺(tái)和中子科學(xué)平臺(tái)，以及廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中山大學(xué)國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心都提供了很好的支持。

“提出鎳基超導(dǎo)體的多軌道模型還只是起點(diǎn)。”姚道新介紹，在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步研究了新型鎳基超導(dǎo)體的超導(dǎo)配對(duì)特性，得到了和實(shí)驗(yàn)可比擬的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc≈80K，并給出了摻雜下的超導(dǎo)相圖。吳為等人則利用團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論，研究了鎳基超導(dǎo)體的超交換相互作用和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員周興江團(tuán)隊(duì)和姚道新、王猛團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)高精確度的角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)研究了新型鎳基超導(dǎo)體的電子能帶和費(fèi)米面，得到了和姚道新團(tuán)隊(duì)論文相一致的結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)了跟電子軌道有關(guān)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，目前處于國(guó)際刊物審稿階段。

“包括我們?cè)趦?nèi)，國(guó)內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)仍然陸續(xù)有新的發(fā)現(xiàn)和突破。我們對(duì)鎳基超導(dǎo)理論體系的理解也更加系統(tǒng)了。”姚道新說(shuō)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.126001