復旦大學高溫超導重磅Nature！

一、【科學背景】

超導體指的是在特定轉變溫度之下電阻為零且呈現完全抗磁性的材料，能廣泛應用于電力傳輸和儲能、醫學成像、磁懸浮列車、量子計算等領域，具有重要的科學研究和技術應用價值。1911年，荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes在將Hg冷卻到約4 K，其電阻變為零，首次發現了超導現象。后來科學家陸續在其他金屬和更高溫度實現了超導。多年來，世界各國科學家圍繞高溫超導現象進行了各種形式的深入研究，但經過近四十年努力，其形成機理仍是未解之謎。2023年，鎳氧化物La₃Ni₂O₇在液氮溫區超導現象的報道預示了超導研究的一個新領域的出現，掀起了世界范圍內鎳基非常規高溫超導的研究熱潮。對于傳統的銅基和鐵基高溫超導體，超導性通常被認為源于對母相中靜態長程磁有序的抑制。那么，與銅氧化物在晶體結構和能帶結構上有許多相似之處的鎳氧化物，其超導機制是什么呢？

二、【創新成果】

基于此，復旦大學趙俊教授與中國科學院物理研究所的郭建剛研究員、北京高壓科學研究中心的曾橋石研究員聯合在Nature發表了題為“Superconductivity in pressurized trilayer La₄Ni₃O_10?δ single crystals”的研究論文，利用氦作為等靜水壓傳壓介質，通過原位高壓低溫電阻測量，發現La₄Ni₃O_10-δ在43 GPa，20 K進入超導態。隨著壓力進一步增加，超導轉變溫度也繼續升高，在69.0 GPa下的最高臨界溫度（Tc）約為30 K。同時，原位高壓直流磁化率測量顯示樣品在40 GPa開始表現出明顯的邁斯納效應（抗磁響應）。這些磁測量結果進一步證實了零電阻源自體超導轉變，并且超導體積分數高達~86%，有力證明了鎳氧化物的體超導性質。?

圖1 ?La₄Ni₃O_10-δ的壓力相關晶格結構和相圖 ? 2024 Springer Nature

圖2 ?常溫下La₄Ni₃O_10-δ單晶的磁化率、電阻率和比熱 ? 2024 Springer Nature

圖3 ?不同壓力下La₄Ni₃O_10-δ單晶的溫度依賴性電阻和直流電導率 ? 2024 Springer Nature

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圖4 ?磁場對La₄Ni₃O_10-δ超導轉變的影響 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上所述，研究人員利用高壓光學浮區技術生長了大批樣品，不斷尋找總結規律，最終成功的合成了純相三層La₄Ni₃O_10?δ鎳氧化物單晶樣品。隨后以高質量單晶樣品為基礎，研究人員利用金剛石對頂砧技術，發現了La₄Ni₃O_10?δ壓力誘導的超導零電阻現象，在69 GPa壓力下，超導臨界溫度達到30 K。根據抗磁性數據估算，該單晶樣品的超導體積分數高達86%，證實了鎳氧化物的體超導性質。超導研究發現，與無限層和雙層鎳氧化物中NiO₂面具有相同的化學環境不同，三層結構形成的獨特的三明治結構讓外層和中間層NiO₂面具有不同的化學環境，從而可以在內層和外層NiO₂面中產生不同的磁結構、電子關聯強度、電荷濃度，甚至是超導配對的強度，這為超導電性的調控提供了更多可能性，這種結構還為理解層間耦合和電荷轉移在形成高溫超導中的作用提供了一個獨特的平臺。此外，三層鎳氧化物比無限層和雙層體系有更強的反鐵磁序，這為理解自旋關聯和自旋漲落與鎳氧化物高溫超導機理的關系提供了一個很好的機會，而自旋漲落被廣泛的認為在銅氧化物超導配對中可能起到了關鍵的作用。

原文詳情：Superconductivity in pressurized trilayer La₄Ni₃O_10?δ single crystals (Nature 2024, 631, 531-536)

本文由大兵哥供稿。