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“发现液氮温区镍基超导体中国科学家占据了第一，理论研究我们也不能落后，不然就对不起这样的机遇。”中山大学物理学院教授姚道新表示。
近期，《物理评论快报》刊登了姚道新团队最新成果，在国际上首次提出了双层镍氧超导体的多轨道模型，并分析了其电磁性质。该成果对于理解新型镍基超导体的微观图像和超导机理起到重要作用。
发现镍基超导体之后
超导材料是物理学的热门领域，因其重要的应用价值，与超导有关的诺贝尔奖已有5次。
此前，中山大学教授王猛团队首次发现液氮温区镍氧化物超导体La?Ni?O?，成果发表于《自然》，引发学界新一轮高温超导研究热潮。姚道新团队此次研究便是率先开始破译镍氧化物的超导机理。
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姚道新伏案工作。朱嘉豪 摄
穿过中山大学广州校区南校园东南区的一片竹林，就到了冼为坚堂。40年前，在杨振宁先生的亲自推动下，中山大学高等学术研究中心落户这里，被寄予了促进基础学科研究的厚望。
姚道新办公室就在二楼。窗外，翠绿的竹叶随风微动，透过窗子，倒映在满是书籍和获奖证书的书架上。他和团队就是在这间办公室里完成了新型镍基高温超导体理论研究的很多重要工作。
今年初，同在物理学院的王猛团队对花了两年时间生长出来La?Ni?O?单晶材料进行了实验研究，惊喜地发现其不仅超导，而且超导温度达到了液氮温区。
这个重磅发现，最终发表于《自然》，姚道新深度参与其中，完成了论文的理论部分，分析了高温超导的可能因素。但对于由此引发的一个全新的研究领域来说，这还远远不够。
“镍基超导体的发现，不仅意味着中国科学家独立发现了继铜氧化物之后的第二种全新的高温超导体系，更在于通过比较研究，有可能推动科学家破解高温超导机理，设计新的更多的更容易应用的高温超导材料，进而实现更加广泛的应用。”王猛说。
因此，对于这一新型超导体，理解该材料体系的超导机理及其独特物理机制显得尤为重要。姚道新说：“第一篇基础性的理论研究论文最好能够形成定量化的物理模型，能够准确地描述该类超导体的微观结构、电子能带性质以及电学磁学性质，成为连接实验发现和后续理论的桥梁，同时有利于指导后续实验的开展。”
提出镍基超导体的多轨道模型
两点睡、七点起，这是姚道新今年上半年的常态。最后冲刺的一周里，他甚至睡在了办公室。
4月的一天，在到福州出差参加学术会议的飞机上，姚道新用随身携带的纸笔写下了理论模型的框架，并发给了团队。
“这个模型相当于指明了出发点到目的地之间的一条路，是最根本的部分，我们的方向就明朗了。”姚道新团队的博士胡训武说。
然而，数据的处理和模型的建立仍需要大量的工作。“当时的感觉一是兴奋，能参与这么重要的研究，可遇不可求；二是急迫，搞科研讲究时效性，同样一个工作，晚了就失去先机，错过了。”另一位博士罗志辉说。
为此，姚道新、中山大学副教授吴为和两位博士全力以赴致力于理论模型的研究。
姚道新团队利用密度泛函理论对高压相的双层镍基超导体进行了系统性计算，建立了一个双层两轨道模型，准确地反映了费米面和电子能带，表明了层间的强关联特性，分析了镍基化物超导配对的关键因素。
在此基础上，团队又进一步考虑了氧轨道的贡献，并提出了一个高能的11轨道模型，有助于分析镍的超交换过程和氧的掺杂效应。
这篇论文正式发表之前，于今年5月在预印本文库arXiv上贴出，随后美国、中国、德国、瑞士、俄罗斯、日本等国家的科研团队都跟进了镍氧超导体的理论和实验研究，而几乎所有的研究都引用了姚道新团队的成果。
这意味着，镍基超导体实验和理论研究的第一篇论文，均出自中国科学家之手。
“当时压力非常大，每天都上平台看一下理论研究进展。我担心的不仅是被别国的科学家抢了先，更担心对方的论文做得非常粗糙还抢了先，让我们研究陷入被动。”姚道新说。
从跟跑到领跑
今年8月，在宁夏大学召开的中国物理学会秋季学术会议上，大会特别新增“镍基超导体”的专场报告会，并邀请王猛和姚道新作报告，台下座无虚席，反响强烈。
9月20日，《物理评论快报》正式刊登了姚道新团队成果。这标志着，继全球率先发现新型双层镍氧化物超导体后，中国科学家又在其机理研究上做出领先成果。
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论文作者姚道新（中）、王猛（左二）、吴为（右二）、罗志辉（右一）、胡训武（左一）。朱嘉豪 摄
超导材料具有绝对零电阻、完全抗磁性和宏观量子隧穿效应的特殊性质，具有重要的科学和应用价值，是国际上重要的科学前沿。
“我进入超导研究领域已经30年了，亲身经历了中国科学家从跟跑，到并跑，再到领跑的过程。”姚道新说，“我一开始是研究铜基超导的，它就像一个矿，已经挖了十多年，会觉得突破很艰难。而镍基超导就像是我们新发现的矿，有许多新的东西可以挖掘。”
在姚道新看来，有志者事竟成，很多事情在于坚持。“有过去几十年的积累，才能在机遇出现的时候抓住机会。”
此时，中国的研究条件也有了很大改善，中山大学、高等学术研究中心、物理学院公共科研平台和中子科学平台、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、光电材料与技术国家重点实验室、中山大学国家超级计算广州中心都提供了很好的支持。
“提出镍基超导体的多轨道模型还只是起点。”姚道新介绍，在此基础上，他们进一步研究了新型镍基超导体的超导配对特性，得到了和实验可比拟的超导转变温度Tc≈80K，并给出了掺杂下的超导相图。吴为等则利用团簇动力学平均场理论，研究了镍基超导体的超交换相互作用和电荷转移机制。
近期，中国科学院物理研究所研究员周兴江团队和姚道新、王猛团队合作，通过高精确度的角分辨光电子能谱实验（ARPES）研究了新型镍基超导体的电子能带和费米面，得到了和姚道新团队论文相一致的结果，并发现了跟电子轨道有关的强关联效应，目前正在国际刊物审稿阶段。
“包括我们在内，国内外的研究团队陆续仍然有不断发现和突破，这样，我们对镍基超导的理论体系理解就会更加系统了。”姚道新如是说。
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