“从0到1”超导重大突破！中山大学&清华大学，再发一篇Nature！

【导读】

铜酸盐中的高转变温度（T_c）超导性来自于掺杂到Mott绝缘态的空穴载流子，其具有半填充的Cu 3d⁹电子结构和S=1/2自旋态。随着载流子掺杂和层内Cu-O电子σ-能带，形成高T_c超导相。同时，围绕最优掺杂，已经确定超导性与温区对角线周围的间隙节点具有d波配对，且由角连接的CuO₆八面体和LnO（Ln =镧系化物）层组成的层状结构是高温超导材料的共同特征。人们一直在努力寻找类似铜酸盐的氧化镍化合物中的超导性，无限层镍酸盐是镍酸盐之一。铜酸盐的高转变温度（高-T_c）超导性已经被发现了30多年，但其潜在的机制仍然是一个谜。铜酸盐作为唯一的非常规超导族，其T_cs高于液氮沸腾温度（77 K）。

【成果掠影】

在此，中山大学王猛教授和清华大学张广铭教授（共同通讯作者）在高压电阻和互感磁化率测量中，观察到高压电阻和互感磁化率在14.0 ~ 43.5 GPa之间，最大T_c为80 K的La₃Ni₂O₇单晶的超导特征。高压下超导相呈现Fmmm空间群的正交结构，Ni阳离子的3dx²-y²和3dz²轨道与氧的2p轨道强混合。同时，密度泛函理论计算表明，超导性与费米能级下σ-能带的金属化一致出现，该带由3dz²轨道和连接Ni-O双层的顶端氧组成。因此，本文的发现不仅为研究Ruddlesden-Popper双层钙钛矿镍酸盐的高T_c超导性提供了重要线索，而且为研究高T_c超导机制提供了新的化合物家族。这是目前发现的第二种液氮温区超导材料，具有“从0到1”的突破性质，推动了破解高温超导机理的进程。

相关研究成果以“Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure”为题发表在Nature上。

【核心创新点】

1.作者观察到高压电阻和互感磁化率在14.0 ~ 43.5 GPa之间，最大T_c为80 K的La₃Ni₂O₇单晶的超导特征；

2.本文的发现不仅为研究Ruddlesden-Popper双层钙钛矿镍酸盐的高T_c超导性提供了重要线索，而且为研究高T_c超导机制提供了新的化合物家族。

【数据概览】

图一、加压La₃Ni₂O₇的结构表征©2023 Springer Nature

图二、La₃Ni₂O₇在1.6和29.5 GPa条件下的密度泛函理论计算©2023 Springer Nature

图三、压力下La₃Ni₂O₇单晶的超导跃迁©2023 Springer Nature

图四、La₃Ni₂O₇单晶的高温超导性相图©2023 Springer Nature

【成果启示】

综上所述，本文证明了在Ruddlesden-Popper（RP）双层钙钛矿镍酸盐La₃Ni₂O₇中，Ni^2.5+（3d^7.5）的电子占位可以模拟空穴掺杂双层高T_c铜酸盐中的Cu²⁺，这是由于通过顶端氧阴离子存在3dz²轨道的强层间耦合，这种层间耦合导致在费米能级以下和之上形成σ键和反键带。施加高压可以通过3dz²轨道上的空穴掺杂和3dx²-y²轨道上的电子掺杂实现费米能级以下的金属化。但这些特征与无限层超导镍酸盐有明显的不同，在无限层超导镍酸盐中，氧的2p轨道的电子态远低于费米能级，并且由于它们的位置能量的较大分离，具有大大减少的3d-2p混合。从实验中可以看出，T_c与高T_c铜超导体的T_c相当，并且高于铁基超导体的T_c。据所知，这是第一个关于体相镍酸盐和镍酸盐RP相超导特征的实验报告。研究结果表明氧化镍体系是寻找高T_c超导体和探索其非常规高T_c超导机制的一个令人可信的平台。

文献链接：“Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06408-7）

本文由材料人CYM编译供稿。