超导材料是物理学的热门领域，因其重要的应用价值，5次诺贝尔奖与它有关。
此前，中山大学物理学院教授王猛团队首次发现液氮温区镍氧化物超导体La3Ni2O7 。该成果在《自然》发表后，便引发了新一轮高温超导研究热潮。
而中山大学物理学院的另一位教授姚道新，则率先开始破译镍氧化物的超导机理。
不久前，姚道新团队在国际上首次提出双层镍氧超导体的多轨道模型，并分析了其电磁性质。发表于《物理评论快报》的这项成果，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。
“发现液氮温区镍基超导体，中国科学家占据第一，理论研究我们也不能落后，不然就对不起这样的机遇。”姚道新对《中国科学报》说。
发现镍基超导体之后
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在此落户。这里也被寄予了促进基础学科研究的厚望。
姚道新的办公室就在冼为坚堂二楼。窗外，随风微动的竹叶透过窗户映在姚道新满是书籍和获奖证书的书架上。他们团队很多新型镍基高温超导体理论研究的重要工作，就是在这间办公室里完成的。
今年初，王猛团队对花了两年时间生长出来的La3Ni2O7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。
这个重磅发现最终在《自然》发表。姚道新则深度参与其中，撰写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，有可能推动科学家揭示高温超导机理，设计新的更多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的物理机制显得尤为重要。“第一篇基础性的理论研究论文最好形成定量化的物理模型，能够准确描述该类超导体的微观结构、电子能带性质及电学磁学性质，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。”姚道新说。
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。在最后冲刺的一周里，他直接住在了办公室。
4月的一天，在去福州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。有了这个模型，我们的方向就明朗了。”姚道新团队成员胡训武博士说。
然而，数据的处理和模型的建立仍需要大量工作。“回想当时的感觉，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，同一项工作，晚了就会失去先机，错过了。”另一位团队成员罗志辉博士说。
为此，姚道新联手中山大学副教授吴为，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，姚道新团队又进一步考虑了氧轨道的贡献，并提出一个高能的11轨道模型。该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上公布。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先，更担心对方的论文做得非常粗糙还抢了先，让我们的研究陷入被动。”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。当时台下座无虚席，反响热烈。
姚道新团队的成果在《物理评论快报》正式刊登，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取得领先成果。
超导材料具备绝对零电阻、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，它就像一个已经挖了10多年的矿，突破会很艰难。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，以及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。吴为等人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，目前处于国际刊物审稿阶段。
“包括我们在内，国内外的研究团队仍然陆续有新的发现和突破。我们对镍基超导理论体系的理解也更加系统了。”姚道新说。
