复旦最新Nature发现了新的高温超导体！

07-19 10:27

原创突破创新的复旦大学

超导体因其极大的应用潜力而备受关注。

寻找新的高温超导体

正是科学界孜孜不倦的目标。

复旦最新成果刚刚在Nature公布。

另外一种新型高温超导体被发现！

复旦大学物理系

赵俊教授团队

高压光学浮区技术的成功发展

La4Ni3O10三层镍氧化物

优质单晶样品

对镍氧化物中的压力诱发进行了验证

体超导电性

(bulk superconductivity)

超导体积分数达到86%

研究还发现，这类材料显示出来。

奇特的金属和独特的固层藕合行为

了解高温超导机的理解

提供了新的视角和平台

在北京时间7月17日晚上，研究结果是“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals“问题发表于最新一期的《自然》（Nature）上。同时，Nature还在“新闻与观点”（News&Views）栏目以“The search for superconductivity widens“问题推荐并介绍了本文的亮点。

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赵俊(前排左三)课题组成员合影

镍氧化物究竟能体超导吗？

物理学问题有答案

超导体是指电阻为零，在特定转换温度下呈现完全抗磁性的材料，可广泛应用于电力传输和储能、医学成像、磁悬浮列车、量子计算等领域，具有重要的科学研究和技术实用价值。截至目前，已有10名科学家因超导研究获得诺贝尔奖。

一九一一年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在汞（Hg）第一次发现超导现象——当他将汞冷却到4左右。 K（“K“开尔文”是热力学温度单位，4 K=-汞的电阻在269.15℃时突然消失，变为零。长期以来，科学家们都认为，只有汞、铅、铝等常规金属和简单合金，才能在极低的温度下显示出超导性。

一九八六年，约翰内斯·贝德诺尔茨（Johannes Georg Bednorz）米勒·卡尔·亚历山大（Karl Alexander Müller）铜氧化物，用于钡钡（La-Ba-Cu-O）高温超导现象已被发现，临界压力可达30%。 K。之后，包括中国科学家在内的许多国家的科学家将其超导临界温度提高到液氮温度区(77 K）直到超出130 K。

高温超导现象的发现打破了人们对极低温超导现象的认知。多年来，世界各地的科学家对高温超导现象进行了各种形式的深入研究，但经过近40年的努力，其形成机制仍然是一个谜。

高温超导的一个重要研究课题是寻找新的高温超导体。一方面，人们希望从新的角度寻找理解高温超导机制的线索；另一方面，新的材料系统也可能提供新的发展前景。

镍在元素周期表中与铜相邻，镍氧化物被称为实现高温超导电的重要替代材料之一。然而，经过几十年的研究，人们发现镍氧化物具有非常严格的超导电性能。

Nd0.8Sr0，2019年，NiO2面无限层。.据报道，2NiO2系统具有超导电性能，其转换温度约为5-15。 K。但是这种系统的超导电性只能存在于薄膜样品中，而块材料很难实现超导。

2023年，中国科学家在La3Ni2O7中发现了两层NiO2表面结构的镍氧化物压力诱导高温超导电，超导临界温度达到80 K，进一步将镍氧化物的超导转化温度提高到液氮温区。但是这类材料的超导体积分数较低，容易出现丝状超导现象。（filamentary superconductivity），体超导电性能难以形成。所以，找到一个新的超导系统，提高超导体积分数，实现超导电是非常重要的。

赵俊团队在Nature公布的研究成果中，成功地合成了高质量的三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品，在低于超导临界温度的情况下，显示出零电阻和完全抗磁的迈斯纳效应，超导体积分达到86%，有力地证明了镍氧化物的超导特性。

赵俊说：“这种超导体积分接近铜氧化物高温超导体，这无疑验证了镍氧化物的超导电性能。

为超导研究提供全新的视角和平台

发现更高性能的高温超导体

2012年，赵俊在加州大学伯克利分校博士后工作后来到复旦大学物理系。研究内容致力于高温超导和量子磁性材料等相关电子系统的中子散射研究，同时从事大规模、优质单晶样品的生长及其热学和运输特性的测试。

"高温超导探索的突破大多是由实验，特别是新超导体的发现所驱动的，到目前为止，仍有许多现象无法完全解释。赵俊表示，“镍氧化物单晶样品的生长条件非常苛刻，为了实现单晶样品的稳定生长，需要在特定的高氧压环境中保持高温尖锐的温度场。由于成相的氧压窗很小，很容易出现镍氧化物层层共生的各种成分，在生长过程中容易出现大量顶氧位置不足，这可能是镍氧化物超导含量低的原因。”

该团队利用高压光学浮区技术生长了大量样品，并不断寻找总结规则。经过多次失败，纯相三层La4Ni3O10镍氧化物单晶样品成功合成。此外，该团队进行了一系列中子衍射和X射线衍射测量，准确测量了材料的晶格结构、氧原子坐标和含量，发现顶点氧缺陷基本没有。

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（a）La4Ni3O10-δ单晶样品照片；（b）单晶衍射中子和X-ray数据；（c）晶格结构在压力下的演变

在优质单晶样品的基础上，团队和合作伙伴发现了La4Ni3O10压力诱导的超导零电阻现象，该现象是69 在GPa压力下，超导临界温度达到30 K。据抗磁数据估计，该单晶样品的超导体积分数达到86%，验证了镍氧化物的超导性能。

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La4Ni3O10-δ测量单晶样品电阻和磁化率的结果

不同于NiO2表面在无限层和两层镍氧化物中具有相同的化学环境，三层结构形成的独特的三明治结构使表面和中间层NiO2表面具有不同的化学环境，从而在内层和表面NiO2表面产生不同的磁结构、电子关联强度、电荷浓度，甚至超导配对强度，这为超导电调节提供了更多的可能性，该结构还提供了一个独特的平台，以了解固层藕合和电荷转移在高温超导中的作用。

此外，三层镍氧化物比无限层和两层系统有更高的反铁磁序，这为理解自旋关联和自旋起伏与镍氧化物高温超导机制的关系提供了一个很好的机会，而自旋起伏则被广泛认为在铜氧化物超导匹配中起着关键作用。

该研究结果还对La4Ni3O10系统在压力下的超导图进行了精细描述，阐述了电荷密度波/自旋密度波、超导、奇异金属行为与晶体结构变化的关系。结果表明，镍氧化物超导可能与铜氧化物超导有不同的固层藕合机制，为研究镍氧化物超导电机制提供了重要意见，为探索自旋序-电荷序、平带结构、固层关联、奇异金属行为和高温超导电之间复杂的相互作用提供了重要的材料平台。

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La4Ni3O10-δ压力下的相图

下一步，赵俊团队将继续聚焦高温超导领域的重大问题，探索高温超导体在不同系统中的相互关系和机制，了解和发现性能更高的高温超导体。

北京高压科学研究中心研究员郭建刚、复旦大学教授赵俊、中国科学院物理研究所研究员曾桥石是论文的共同通讯作者。朱英浩、北京高压科学研究中心博士生彭帝、复旦大学物理系张恩康、中国海洋大学董丙营副教授、中国科学院物理研究所陈旭工程师是复旦大学物理系博士后共同的第一作者。该研究得到了国家基金委员会、科技部、上海市科技委员会、北京市自然科学基金、山东省自然科学基金的支持。在中国科学院综合极端条件实验装置、美国橡树岭国家实验室、上海同步辐射光源等大科学平台上采集了部分探索数据。

文章链接

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07553-3

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