【复合材料信息】我国学者在新型镍氧化物单晶中发现体超导电性

08-16 08:31

复旦大学物理系赵俊教授、中国科学院物理研究所郭建刚研究员、北京高压科学研究中心曾桥石研究员等在国家自然科学基金项目(许可号:12234006)的资助下，组成联合研究团队发现并试验确定了一种新型镍基氧化物高温超导体。研究小组利用光学浮区技术生长了La4Ni3O10三层镍氧化物优质单晶样品，验证了镍氧化物中压力诱导的超导电性能，其超导体积分数高达86%。结果表明，该材料具有奇特的金属和独特的固层藕合行为，为了了解高温超导机制提供了一个新的研究平台。结果显示，2024年7月17日，超导电性能为“压力下三层La4Ni3O10单晶”（Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals）“问题发表在《自然》中。（Nature）杂志。与此同时，《自然》杂志在“新闻与观点”（News&Views）栏目以“超导电性能的搜索范围拓宽了？（The search for superconductivity widens）“问题对本文作了亮点推荐。

超导材料在基础研究和应用研究中无疑具有重要的研究意义，因此超导电研究是凝聚物理学的重要研究方向之一。一九八六年，科学家们发现了第一种高温超导体铜氧化物，超过了液氮温区。在接下来的40年里，全世界的科学家都在努力寻找新的高温超导体，希望澄清高温超导机制，帮助开发新的超导应用。直到2019年，美国斯坦福大学的Harold Hwang教授领导的研究小组发现，Nd0.8Sr0有无限层NiO2面结构。.2NiO2单晶薄膜具有超导电性能，其转换温度约为10。 K。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。这一发现也证实了镍氧化物是第二种高温超导体，具有液氮温区超导转化温度。但是，这种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很大争议。所以，寻找一个新的高温超导系统，具有较高的超导体积分数非常重要。

研究小组利用高压光学浮区技术，合成了具有高晶体质量的三层NiO2表面结构的镍氧化物La4Ni3O10单晶样品。随后，该团队进行了一系列中子衍射、X射线衍射和电子显微镜测量，准确测量了材料的晶格结构和氧原子的坐标和含量，发现顶点氧基本没有缺陷，顶点氧缺陷被称为镍氧化物难以获得体超导电性的重要因素之一。在69中，进一步研究发现 La4Ni3O10单晶在GPa的高压下具有超导电性，其转换温度约为30。 K，与此同时，单晶也显示出迈斯纳效应。La4Ni3O10单晶的超导体积分可以达到86%，这是一个典型的超导体特征。此外，研究小组发现，这种超导体的正常电阻与温度之间存在线性依赖关系，表现出传统费米液体理论无法描述的奇怪金属行为，这种奇怪的金属行为被称为非常规高温超导体的重要特征。随后，研究小组在压力下对La4Ni3O10系统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，镍氧化物中的超导电性能可能与铜氧化物中的超导电性能有显著差异，这为镍氧化物超导电性能机制的研究提供了重要意见，为探索自旋序-电荷序、平带结构、固层关系、奇异金属行为和高温超导电性能之间的复杂相互作用提供了重要的材料平台。

本工作中发现的三层NiO2表面的镍氧化物明显不同于之前报道的无限层和两层镍氧化物。内层和表层NiO2表面的Ni离子可能具有不同的磁结构、电子关联强度和电荷浓度，各种因素都会显著影响超导匹配强度，为控制超导电性提供可能性。另外，这一特殊的三层NiO2结构还提供了一个全新的材料体系，以了解固层藕合和电荷转移在高温超导中的作用。

图（a）单晶样品La4Ni3O10实物照片，（b）单晶衍射数据中子和X-ray，（c）晶格结构在压力下的演变，（d）电阻和（e）随着温度的变化，磁化率规律

论文链接：

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

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