在常压四方相 La4Ni3O10中探寻超导与密度波转变之谜：改写镍酸盐超导机制认知

为探究 RP 相镍酸盐高压超导机制及常压超导可能性，中国科学技术大学等机构研究人员对 La4Ni3O10开展研究。他们合成常压四方相 La4Ni3O10，发现其无超导和密度波转变，该成果为理解镍酸盐超导机制提供关键线索。

　　在超导研究的奇妙世界里，自 1986 年 Bednorz 和 Müller 发现 La_2-xBa_xCuO₄高温超导现象后，科学界便对其镍酸盐类似物能否实现高温超导充满好奇。2019 年，无限层镍酸盐 Nd_1-xSr_xNiO₂薄膜超导的发现，为探索高温超导谜题开辟了新道路。然而，Ruddlesden-Popper（RP）相 La_n+1Ni_nO_3n+1超导需要高压环境，这极大阻碍了超导态光谱和热力学研究，其超导机制也备受争议。因此，探索 RP 相 La_n+1Ni_nO_3n+1常压超导成为破解难题的关键方向。

为解决这些问题，中国科学技术大学、中国科学院物理研究所等多个机构的研究人员携手合作。他们聚焦于 La₄Ni₃O₁₀，开展了一系列深入研究。研究发现，在常压下合成的四方相 La₄Ni₃O₁₀，即使在高达 160 GPa 的压力下，也不存在超导和密度波转变，呈现出稳定的四方金属基态。这一结果对镍酸盐压力诱导超导机制提出了新的挑战，为相关理论研究提供了重要的实验依据。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为超导领域的发展注入了新的活力。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：采用氧化熔盐法在氧气压力下合成 La₄Ni₃O₁₀晶体；利用单晶 X 射线衍射（SC-XRD）、选区电子衍射（SAED）等技术对晶体结构进行表征；通过高压电阻测量研究不同压力下样品的电学性质；运用磁扭矩测量判断样品是否存在密度波转变；借助基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算研究晶体的能带结构和费米面。

一、常压下的四方相 La₄Ni₃O₁₀
研究人员通过氧化熔盐法在氧气压力下成功合成了常压四方相 La₄Ni₃O₁₀微晶。利用 SC-XRD 数据精修解析其结构，发现其满足 I4/mmm 空间群，证实了四方对称性。SAED 数据也进一步确认了该结构。对比不同相的结构发现，常压四方相和高压四方相结构相似，仅部分键长略有差异。通过测量电阻随温度的变化曲线发现，单斜相 La₄Ni₃O₁₀在 135 K 左右存在密度波转变，而四方相则呈现金属行为，无明显异常，且在 0.4 K 以下也未观察到超导现象。磁扭矩测量结果也表明，四方相不存在密度波转变。

二、单斜相和四方相 La₄Ni₃O₁₀的压力效应
对单斜相 La₄Ni₃O₁₀进行高压电阻测量，发现随着压力增加，电阻逐渐减小，密度波转变相关的异常现象逐渐被抑制，在 20 GPa 以上超导转变开始出现，且超导转变温度（T_c）随压力升高而增加。而四方相 La₄Ni₃O₁₀在常压至 60 GPa 以上均未出现与密度波转变相关的异常，也未观察到超导迹象。其电阻在 14 GPa 以下随压力增加而减小，之后开始增加，20 GPa 以上又随压力减小，并在低温下出现微弱上升。

三、单斜相和四方相 La₄Ni₃O₁₀的 DFT 计算
通过 DFT 计算研究了三种不同 La₄Ni₃O₁₀晶体结构的能带结构和费米面。单斜相（P2₁/a - AP）和高压四方相（I4/mmm - HP）的费米面主要由 d_x²-y²轨道成分主导，且偶尔与 d_z²轨道混合。新合成的常压四方相（I4/mmm - AP）的显著特征是在 Γ 点和 M 点出现两个额外的费米面口袋，主要归因于 d_z²轨道，这是由于其 c 轴伸长降低了 d_z²层间耦合。而高压四方相因 c 轴压缩，这些口袋消失。

研究结论表明，常压四方相 La₄Ni₃O₁₀在高压下既无超导性也无密度波转变，这与之前认为四方相结构是镍酸盐超导关键前提的观点相悖。该结果暗示，在镍酸盐高压超导中，密度波态可能比四方相结构更为关键。这一发现对理解 RP 相镍酸盐超导机制具有重要意义，为后续研究指明了新方向。同时，研究中还存在一些未解之谜，如常压四方相样品中可能存在的强磁序以及 d_z²轨道在高压超导中的作用等，需要进一步通过光谱测量等手段深入探究。总之，这项研究为超导领域的发展提供了宝贵的实验数据和理论思考，推动了人们对镍酸盐超导机制的认识向更深层次迈进。