我国学者在镍基高温超导体的研究中取得新进展

　　

图 La₂PrNi₂O₇多晶样品的高压结构演化和超导相图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12025408、11921004、U23A6003、U22A6005、12174424、12374142、12304170、12074414、12304075）等资助下，中国科学院物理研究所（以下简称物理所）/北京凝聚态物理国家研究中心的程金光团队联合物理所、日本东京大学和美国橡树岭国家实验室的多个团队，在双层钙钛矿La₂PrNi₂O₇多晶样品中同时提供了高压下实现块体高温超导电性的两个关键实验证据，即零电阻和完全抗磁性，澄清了目前La₃Ni₂O₇中高温超导电性起源和体超导的争议问题，并揭示了微观结构无序对高温超导电性的不利影响。相关成果以“La₂PrNi₂O₇高压四方相的块体高温超导电性（Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonal La₂PrNi₂O₇）”为题，于2024年10月2日发表在《自然》（Nature）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07996-8。

　　发现高临界温度（T_c）的新超导体系并揭示其物理机制是超导领域的研究前沿。近期，我国学者发现La₃Ni₂O₇单晶在约14GPa的高压下出现T_c ? 80K的高温超导电性，掀起了镍基高温超导的研究热潮。然而，后续实验研究显示，该La₃Ni₂O₇单晶样品由于合成氧压范围很窄，容易出现化学组分不均匀、内顶角氧空位以及单层和三层Ruddlesden-Popper（R-P） La_n+1Ni_nO_3n+1相共存等问题。这造成目前关于La₃Ni₂O₇中高温超导电性的起源以及能否实现体超导等核心科学问题仍存在争议，严重阻碍了镍基高温超导体的研究进程。

　　鉴于目前制备纯相La₃Ni₂O₇（327相）单晶仍然很有挑战的现状，程金光团队调整思路将研究对象转向均匀性和单相性更好、氧含量更易调控的多晶样品。他们采用溶胶-凝胶法合成了系列La_3-xPr_xNi₂O_7-d(0 ￡ x ￡1)多晶样品，并进行了晶体结构和物性表征以及高压调控研究。研究结果表明，对于未掺杂的La₃Ni₂O_7-d多晶样品，虽然主相为双层钙钛矿结构，但微结构中存在大量单层（214相）和三层（4310相）R-P相的交织共生，即产生了很多327相/4310相和327相/214相的界面和结构无序；而当离子半径较小的Pr部分替代La之后，不仅可以有效抑制多相的交织共生而且还减少了内顶角氧空位，最高掺杂量的La₂PrNi₂O₇多晶样品具有接近纯相的双层钙钛矿结构。高压结构和物性测试显示，该样品在P_c? 11GPa发生正交Amam到四方I4/mmm结构相变，同时在低温开始出现高温超导转变，并且T_c随加压而逐渐升高，18-20 GPa时T_c^onset最高可达82.5K、T_c^zero达到60K，这是目前报道的镍基超导体中的最高值。更重要的是，该样品的交流磁化率在15GPa以上开始出现明显的超导抗磁信号，其19GPa时的超导屏蔽体积分数达到97%，表明实现了体超导。

　　该工作提供了双层钙钛矿La₂PrNi₂O₇具有体超导的关键实验证据，澄清了目前关于La₃Ni₂O₇中高温超导电性起源和体超导的争议问题。同时，还指出不同R-P相的交织共生不利于体超导，而采用离子半径较小的稀土元素替代La可有效抑制结构无序，有利于实现体超导。这一发现将指导镍基高温超导材料的进一步优化设计与合成，有助于推动镍基高温超导体的研究进程。