我国学者在新型镍氧化物单晶中发现体超导电性

　　

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12234006）等资助下，复旦大学物理学系赵俊教授、中国科学院物理研究所郭建刚研究员和北京高压科学研究中心曾桥石研究员等组成联合研究团队发现并实验确认了一种新型镍基氧化物高温超导体。研究团队利用光学浮区技术生长了三层镍氧化物La₄Ni₃O₁₀高质量单晶样品，证实了镍氧化物中具有压力诱导的体超导电性，其超导体积分数高达86%。研究结果表明，该材料具有奇异金属和独特的层间耦合行为，为理解高温超导机理提供了新的研究平台。该成果于2024年7月17日以“压力下三层La₄Ni₃O₁₀单晶的超导电性（Superconductivity in pressurized trilayer La₄Ni₃O_10-δ single crystals）”为题发表在《自然》（Nature）杂志。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07553-3。同期，《自然》杂志在“新闻和观点（News&Views）”专栏以“超导电性的寻找范围拓宽（The search for superconductivity widens）”为题对本文做了亮点推荐。

　　在基础研究和应用研究方面，超导材料无疑都具有重要的研究意义，因此超导电性研究是凝聚态物理的重要研究方向之一。1986年，科学家们发现了第一个超过液氮温区的高温超导体——铜氧化物。之后的四十余年，全世界的科学家们一直努力寻找新的高温超导体，期望厘清高温超导机理，并指导开发超导的新应用。直到2019年，美国斯坦福大学的Harold Hwang教授领导的研究组发现一类具有无限层NiO₂面结构的Nd_0.8Sr_0.2NiO₂单晶薄膜具有超导电性，其转变温度约为10 K。2023年，中国科学家在具有双层NiO₂面结构的镍氧化物La₃Ni₂O₇中发现了压力诱导的高温超导电性，超导临界温度达到80 K。该发现也在实验上证实了镍氧化物是第二个具有液氮温区超导转变温度的高温超导体。然而，该材料的超导体积分数较低，其超导根源是丝状超导还是体超导一直存在较大争议。因此，寻找具有更高超导体积分数的新的高温超导体系尤为重要。

　　在本工作中，研究团队用高压光学浮区技术合成了具有高结晶质量的三层NiO₂面结构的镍氧化物La₄Ni₃O₁₀单晶样品。随后，团队开展了一系列中子衍射和X射线衍射以及电镜测量，精确地测定了材料的晶格结构和氧原子坐标及含量，发现其中几乎没有顶点氧缺陷，而顶点氧缺陷被认为是导致镍氧化物难以获得体超导电性的重要因素之一。进一步研究发现，在69 GPa的高压下，La₄Ni₃O₁₀单晶出现超导电性，其转变温度约为30 K，同时该单晶还表现出迈斯纳效应。通过抗磁性数据估算，La₄Ni₃O₁₀单晶的超导体积分数高达86%，是典型的体超导特征。此外，研究团队发现这种超导体的正常态电阻与温度具有线性依赖关系，呈现出无法用传统费米液体理论描述的奇异金属行为，而这种奇异金属行为被认为是非传统高温超导体的重要特征。接着，研究团队精细刻画了La₄Ni₃O₁₀体系在压力下的超导相图，阐明了电荷密度波/自旋密度波、超导、奇异金属行为和晶体结构相变在相图中的关系。研究结果表明，镍氧化物中的超导电性可能与铜氧化物中的超导电性具有显著不同的层间耦合机制，为镍氧化物超导电性机理的研究提供了重要见解，并为探索自旋序-电荷序、平带结构、层间关联、奇异金属行为和高温超导电性之间的复杂相互作用提供了重要的材料平台。

　　本工作中发现的具有三层NiO₂面的镍氧化物与之前报道的无限层和双层镍氧化物显著不同，在内层和外层NiO₂面中的Ni离子可能具有不同的磁结构、电子关联强度、电荷浓度，这些因素都会显著影响超导配对强度，也为调控超导电性提供可能。此外，这种特殊的三层NiO₂结构也为理解层间耦合和电荷转移在形成高温超导中的作用提供了全新的材料体系。

　　图 （a）La₄Ni₃O₁₀单晶样品实物照片，（b）中子和X-ray单晶衍射数据，（c）压力下晶格结构的演变，（d）电阻和（e）磁化率随温度的变化规律