复旦大学高温超导重磅Nature！

一、【科学背景】

超导体指的是在特定转变温度之下电阻为零且呈现完全抗磁性的材料，能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应用价值。1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes在将Hg冷却到约4 K，其电阻变为零，首次发现了超导现象。后来科学家陆续在其他金属和更高温度实现了超导。多年来，世界各国科学家围绕高温超导现象进行了各种形式的深入研究，但经过近四十年努力，其形成机理仍是未解之谜。2023年，镍氧化物La₃Ni₂O₇在液氮温区超导现象的报道预示了超导研究的一个新领域的出现，掀起了世界范围内镍基非常规高温超导的研究热潮。对于传统的铜基和铁基高温超导体，超导性通常被认为源于对母相中静态长程磁有序的抑制。那么，与铜氧化物在晶体结构和能带结构上有许多相似之处的镍氧化物，其超导机制是什么呢？

二、【创新成果】

基于此，复旦大学赵俊教授与中国科学院物理研究所的郭建刚研究员、北京高压科学研究中心的曾桥石研究员联合在Nature发表了题为“Superconductivity in pressurized trilayer La₄Ni₃O_10−δsingle crystals”的研究论文，利用氦作为等静水压传压介质，通过原位高压低温电阻测量，发现La₄Ni₃O_10-δ在43 GPa，20 K进入超导态。随着压力进一步增加，超导转变温度也继续升高，在69.0 GPa下的最高临界温度（Tc）约为30 K。同时，原位高压直流磁化率测量显示样品在40 GPa开始表现出明显的迈斯纳效应（抗磁响应）。这些磁测量结果进一步证实了零电阻源自体超导转变，并且超导体积分数高达~86%，有力证明了镍氧化物的体超导性质。

图1La₄Ni₃O_10-δ的压力相关晶格结构和相图© 2024 Springer Nature

图2常温下La₄Ni₃O_10-δ单晶的磁化率、电阻率和比热© 2024 Springer Nature

图3不同压力下La₄Ni₃O_10-δ单晶的温度依赖性电阻和直流电导率© 2024 Springer Nature

图4磁场对La₄Ni₃O_10-δ超导转变的影响© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上所述，研究人员利用高压光学浮区技术生长了大批样品，不断寻找总结规律，最终成功的合成了纯相三层La₄Ni₃O_10−δ镍氧化物单晶样品。随后以高质量单晶样品为基础，研究人员利用金刚石对顶砧技术，发现了La₄Ni₃O_10−δ压力诱导的超导零电阻现象，在69 GPa压力下，超导临界温度达到30 K。根据抗磁性数据估算，该单晶样品的超导体积分数高达86%，证实了镍氧化物的体超导性质。超导研究发现，与无限层和双层镍氧化物中NiO₂面具有相同的化学环境不同，三层结构形成的独特的三明治结构让外层和中间层NiO₂面具有不同的化学环境，从而可以在内层和外层NiO₂面中产生不同的磁结构、电子关联强度、电荷浓度，甚至是超导配对的强度，这为超导电性的调控提供了更多可能性，这种结构还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一个独特的平台。此外，三层镍氧化物比无限层和双层体系有更强的反铁磁序，这为理解自旋关联和自旋涨落与镍氧化物高温超导机理的关系提供了一个很好的机会，而自旋涨落被广泛的认为在铜氧化物超导配对中可能起到了关键的作用。

原文详情：Superconductivity in pressurized trilayer La₄Ni₃O_10−δsingle crystals(Nature2024,631, 531-536)

本文由大兵哥供稿。