實驗與理論雙突破，中山大學的學者做到了！

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“發現液氮溫區鎳基超導體中國科學家占據了第一，理論研究我們也不能落后，不然就對不起這樣的機遇。”中山大學物理學院教授姚道新表示。

近期，《物理評論快報》刊登了姚道新團隊最新成果，在國際上首次提出了雙層鎳氧超導體的多軌道模型，并分析了其電磁性質。該成果對于理解新型鎳基超導體的微觀圖像和超導機理起到重要作用。

發現鎳基超導體之后

超導材料是物理學的熱門領域，因其重要的應用價值，與超導有關的諾貝爾獎已有5次。

此前，中山大學教授王猛團隊首次發現液氮溫區鎳氧化物超導體La?Ni?O?，成果發表于《自然》，引發學界新一輪高溫超導研究熱潮。姚道新團隊此次研究便是率先開始破譯鎳氧化物的超導機理。

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姚道新伏案工作。朱嘉豪 攝

穿過中山大學廣州校區南校園東南區的一片竹林，就到了冼為堅堂。40年前，在楊振寧先生的親自推動下，中山大學高等學術研究中心落戶這里，被寄予了促進基礎學科研究的厚望。

姚道新辦公室就在二樓。窗外，翠綠的竹葉隨風微動，透過窗子，倒映在滿是書籍和獲獎證書的書架上。他和團隊就是在這間辦公室里完成了新型鎳基高溫超導體理論研究的很多重要工作。

今年初，同在物理學院的王猛團隊對花了兩年時間生長出來La?Ni?O?單晶材料進行了實驗研究，驚喜地發現其不僅超導，而且超導溫度達到了液氮溫區。

這個重磅發現，最終發表于《自然》，姚道新深度參與其中，完成了論文的理論部分，分析了高溫超導的可能因素。但對于由此引發的一個全新的研究領域來說，這還遠遠不夠。

“鎳基超導體的發現，不僅意味著中國科學家獨立發現了繼銅氧化物之后的第二種全新的高溫超導體系，更在于通過比較研究，有可能推動科學家破解高溫超導機理，設計新的更多的更容易應用的高溫超導材料，進而實現更加廣泛的應用。”王猛說。

因此，對于這一新型超導體，理解該材料體系的超導機理及其獨特物理機制顯得尤為重要。姚道新說：“第一篇基礎性的理論研究論文最好能夠形成定量化的物理模型，能夠準確地描述該類超導體的微觀結構、電子能帶性質以及電學磁學性質，成為連接實驗發現和后續理論的橋梁，同時有利于指導后續實驗的開展。”

提出鎳基超導體的多軌道模型

兩點睡、七點起，這是姚道新今年上半年的常態。最后沖刺的一周里，他甚至睡在了辦公室。

4月的一天，在到福州出差參加學術會議的飛機上，姚道新用隨身攜帶的紙筆寫下了理論模型的框架，并發給了團隊。

“這個模型相當于指明了出發點到目的地之間的一條路，是最根本的部分，我們的方向就明朗了。”姚道新團隊的博士胡訓武說。

然而，數據的處理和模型的建立仍需要大量的工作。“當時的感覺一是興奮，能參與這么重要的研究，可遇不可求；二是急迫，搞科研講究時效性，同樣一個工作，晚了就失去先機，錯過了。”另一位博士羅志輝說。

為此，姚道新、中山大學副教授吳為和兩位博士全力以赴致力于理論模型的研究。

姚道新團隊利用密度泛函理論對高壓相的雙層鎳基超導體進行了系統性計算，建立了一個雙層兩軌道模型，準確地反映了費米面和電子能帶，表明了層間的強關聯特性，分析了鎳基化物超導配對的關鍵因素。

在此基礎上，團隊又進一步考慮了氧軌道的貢獻，并提出了一個高能的11軌道模型，有助于分析鎳的超交換過程和氧的摻雜效應。

這篇論文正式發表之前，于今年5月在預印本文庫arXiv上貼出，隨后美國、中國、德國、瑞士、俄羅斯、日本等國家的科研團隊都跟進了鎳氧超導體的理論和實驗研究，而幾乎所有的研究都引用了姚道新團隊的成果。

這意味著，鎳基超導體實驗和理論研究的第一篇論文，均出自中國科學家之手。

“當時壓力非常大，每天都上平臺看一下理論研究進展。我擔心的不僅是被別國的科學家搶了先，更擔心對方的論文做得非常粗糙還搶了先，讓我們研究陷入被動。”姚道新說。

從跟跑到領跑

今年8月，在寧夏大學召開的中國物理學會秋季學術會議上，大會特別新增“鎳基超導體”的專場報告會，并邀請王猛和姚道新作報告，臺下座無虛席，反響強烈。

9月20日，《物理評論快報》正式刊登了姚道新團隊成果。這標志著，繼全球率先發現新型雙層鎳氧化物超導體后，中國科學家又在其機理研究上做出領先成果。

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論文作者姚道新（中）、王猛（左二）、吳為（右二）、羅志輝（右一）、胡訓武（左一）。朱嘉豪 攝

超導材料具有絕對零電阻、完全抗磁性和宏觀量子隧穿效應的特殊性質，具有重要的科學和應用價值，是國際上重要的科學前沿。

“我進入超導研究領域已經30年了，親身經歷了中國科學家從跟跑，到并跑，再到領跑的過程。”姚道新說，“我一開始是研究銅基超導的，它就像一個礦，已經挖了十多年，會覺得突破很艱難。而鎳基超導就像是我們新發現的礦，有許多新的東西可以挖掘。”

在姚道新看來，有志者事竟成，很多事情在于堅持。“有過去幾十年的積累，才能在機遇出現的時候抓住機會。”

此時，中國的研究條件也有了很大改善，中山大學、高等學術研究中心、物理學院公共科研平臺和中子科學平臺、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室、光電材料與技術國家重點實驗室、中山大學國家超級計算廣州中心都提供了很好的支持。

“提出鎳基超導體的多軌道模型還只是起點。”姚道新介紹，在此基礎上，他們進一步研究了新型鎳基超導體的超導配對特性，得到了和實驗可比擬的超導轉變溫度Tc≈80K，并給出了摻雜下的超導相圖。吳為等則利用團簇動力學平均場理論，研究了鎳基超導體的超交換相互作用和電荷轉移機制。

近期，中國科學院物理研究所研究員周興江團隊和姚道新、王猛團隊合作，通過高精確度的角分辨光電子能譜實驗（ARPES）研究了新型鎳基超導體的電子能帶和費米面，得到了和姚道新團隊論文相一致的結果，并發現了跟電子軌道有關的強關聯效應，目前正在國際刊物審稿階段。

“包括我們在內，國內外的研究團隊陸續仍然有不斷發現和突破，這樣，我們對鎳基超導的理論體系理解就會更加系統了。”姚道新如是說。