科研进展｜实验室成员 四月四登 Nature 攻克量子材料前沿难题

春潮涌动处，奋进正当时。

当荔园的灯火映照塘朗山的月色，

当求索的星火点亮不眠的实验室，

南科大物理系教师团队以一月四篇《Nature》 正刊的亮眼成绩，

在科学前沿刻下了属于自己的坐标。

2026年4月，南方科技大学物理系，量子功能材料全国重点实验室迎来发展的历史性时刻：一个月内，4篇国际顶尖学术论文相继发表于《Nature》，以“月发四篇”的强劲势头刷新了科研产出纪录。

01 原子级堆叠创制全新镍基超导材料

4月8日，薛其坤-陈卓昱团队与中国科学技术大学沈大伟团队等合作，在常压镍基高温超导领域再获突破。相关成果以“Superconductivity and electronic structures of nickelate thin film superstructures”为题，发表在《Nature》上。

镍基材料被认为是继铜基、铁基之后有望揭示高温超导机理的第三类体系。然而，其合成面临根本性矛盾：超导所需的高度氧化态与晶格稳定生长存在热力学冲突。研究团队自主研发的“强氧化原子逐层外延”（GAE）技术，在超强氧化氛围中开辟极端非平衡生长区间，使薄膜一步完成结构构建与充分氧化。

凭借该技术，团队将纯双层结构（简称2222，化学式为(La,Pr)₃Ni₂O₇/SrLaAlO₄，其中SrLaAlO₄为基底材料）超导薄膜的常压超导起始温度从约45 K提升至63 K；并按照人工设计的原子堆叠蓝图，精确合成出单层-双层（1212，化学式为：（La,Pr)₅Ni₃O₁₁/SrLaAlO₄）、单层-三层（1313，化学式为：(La,Pr)₃Ni₂O₇，该超结构与2222具有相同的化学式但结构不同）和双层-三层（2323，化学式为：(La,Pr)₇Ni₅O₁₇/SrLaAlO₄）三种全新镍基超结构材料。其中1212和2323在常压下实现高温超导，起始转变温度分别达50 K和46 K，均突破麦克米兰极限。

团队结合角分辨光电子能谱（ARPES）对四种堆叠结构进行比较研究，发现在超导的1212、2222和2323结构中，布里渊区顶角附近均存在γ能带形成的费米口袋；而不超导的1313结构中，这一γ能带未能形成费米口袋，从实验上识别出了决定超导与否的“电子基因”。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10352-7

02 磁性分类理论新框架的建立

4月22日，刘奇航教授课题组在对称性分类磁性的基础理论研究中取得进展，相关成果以“Symmetry Classification of Magnetic Orders using Oriented Spin Space Groups”为题，发表在国际顶尖学术期刊《Nature》上。

传统磁性划分依赖磁空间群框架，但其操作要求自旋与晶格旋转保持一致，无法完整描述磁序几何特性——磁序完全不同的共线铁磁、共线反铁磁等结构，其磁空间群甚至可能完全相同。如何严格界定铁磁与反铁磁的边界，是磁学与晶体学中的长期存在的基础问题。

研究团队采用自旋空间群框架进行划分：若自旋空间群确保原胞内自旋完全补偿，则为反铁磁，否则为铁磁或亚铁磁。在此基础上，团队提出“定向自旋空间群”（OSSG），通过标定自旋相对于晶格的具体取向，同时包含自旋空间群和磁空间群的完整信息，成为更完整的对称性描述方案。

基于该框架，团队进一步分类了一种特殊磁性：无自旋轨道耦合时自旋空间群强制净磁化为零，表现为反铁磁；引入自旋轨道耦合后对称性降低，允许产生有限磁化，因此命名为“自旋轨道磁性”。此类材料自旋序属反铁磁，却可表现出反常霍尔效应等铁磁体宏观物理性质（如反常霍尔效应、磁光克尔效应等）。该研究统一了磁空间群与自旋空间群两种对称性框架，为寻找非常规磁体提供了新理论工具。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10401-1

03 强磁场诱导的镍基重入超导

4月23日，薛其坤-陈卓昱团队与香港城市大学物理系李丹枫团队合作，联合中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心等单位，在《Nature》发表了题为“Field re-entrant superconductivity in Eu-doped infinite-layer nickelates”的最新研究成果。

研究团队在无限层镍氧化物（Sm_0.95-xCa_0.05Eu_xNiO₂）中首次发现强磁场诱导的“重入超导”现象——强磁场非但未破坏超导，反而让消失的超导态“死而复生”。此前该现象仅见于极低温度的重费米子体系，本工作首次将其拓展至转变温度32 K的氧化物超导体中。

通过精细调控Eu掺杂浓度，团队捕捉到“超导—正常态—超导”的奇特转变，并通过零电阻与抗磁性双重验证。该重入超导具有全角度鲁棒性，在0°到90°磁场方向下均稳定存在。特别是在高掺杂浓度下，高场态比低场态更稳健，表明经典“磁场抵消机制”不足以解释，磁关联诱导的非常规配对可能扮演关键角色。此外，霍尔电阻非线性和磁电阻磁滞等输运特征指向时间反演对称性破缺。该发现架起了连接高温超导与重费米子物理的桥梁，为探索强关联氧化物中的非常规超导机制开辟了新平台。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10547-y

04 菱方石墨烯中的“穿越维度”反常霍尔效应

4月29日，赵悦副教授团队、南京大学与上海科技大学合作，在实验中首次观测到一种“穿越维度“的反常霍尔输运行为，并揭示其对应的关联电子态特征（Transdimensional Anomalous Hall Effect），相关成果以“Transdimensional anomalous Hall effect in rhombohedral thin graphite”为题，发表在《Nature》上。

传统反常霍尔效应仅源于面内电子轨道运动对应的面外轨道磁化，要求磁化、电流与霍尔电场三者正交。在三维体材料中，层间轨道相干性会被散射破坏，霍尔响应本质上是二维行为的厚度平均。而介于严格二维与三维体材料之间的“穿越维度”区间——样品非原子级薄层但未完全丧失层间相干性——此前长期未被探索。该区间内电子可同时进行面内与面外的相干轨道运动，有望催生耦合面内与面外轨道磁化的全新反常霍尔效应。

研究团队选取2–5 nm厚的菱方堆垛石墨烯为平台，在九层器件中绘制出载流子密度–位移场相图，发现一个由强电子关联主导的异常相区。输运测量表明：霍尔电阻不仅在垂直磁场下呈现磁滞回线，在平行磁场下也观测到清晰的内禀磁滞回线。经严格排除伪效应后，团队确认该信号具有本征起源，命名为变维反常霍尔效应。该效应首次展现出巨大的面内轨道铁磁分量。

物理起源在于：只有在“穿越维度”区间，电子才能同时维持面内与面外的相干轨道运动。理论计算表明，在特定条件下电子关联驱动体系自发破缺对称性，形成轨道铁磁金属态，内部同时产生面外与面内环路电流，分别对应两种轨道磁化。本研究首次从实验上揭示了一类与“穿越维度”区间相关的新型电子输运行为,为理解二维与三维之间的电子输运提供了新的视角。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10471-1

四月四篇国际顶尖学术期刊《Nature》，是物理系科研人交出的阶段性答卷。每一篇论文的背后，都是无数次的实验、推导与坚持。科研之路道阻且长，行则将至。物理系将继续在科学前沿奋勇前行，探索未知，追求真理。