原創(chuàng) 突破創(chuàng)新的 復(fù)旦大學(xué)

超導(dǎo)體因其極大的應(yīng)用潛力而備受關(guān)注。

尋找新的高溫超導(dǎo)體

正是科學(xué)界孜孜不倦的目標。

復(fù)旦最新成果剛剛在Nature公布。

另外一種新型高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)！

復(fù)旦大學(xué)物理系

趙俊教授團隊

高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)的成功發(fā)展

La4Ni3O10三層鎳氧化物

優(yōu)質(zhì)單晶樣品

對鎳氧化物中的壓力誘發(fā)進行了驗證

體超導(dǎo)電性

(bulk superconductivity)

超導(dǎo)體積分數(shù)達到86%

研究還發(fā)現(xiàn)，這類材料顯示出來。

奇特的金屬和獨特的固層藕合行為

了解高溫超導(dǎo)機的理解

提供了新的視角和平臺

在北京時間7月17日晚上，研究結(jié)果是“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals“問題發(fā)表于最新一期的《自然》（Nature）上。同時，Nature還在“新聞與觀點”（News&Views）欄目以“The search for superconductivity widens“問題推薦并介紹了本文的亮點。

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趙俊(前排左三)課題組成員合影

鎳氧化物究竟能體超導(dǎo)嗎？

物理學(xué)問題有答案

超導(dǎo)體是指電阻為零，在特定轉(zhuǎn)換溫度下呈現(xiàn)完全抗磁性的材料，可廣泛應(yīng)用于電力傳輸和儲能、醫(yī)學(xué)成像、磁懸浮列車、量子計算等領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)研究和技術(shù)實用價值。截至目前，已有10名科學(xué)家因超導(dǎo)研究獲得諾貝爾獎。

一九一一年，荷蘭科學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）在汞（Hg）第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象——當他將汞冷卻到4左右。 K（“K“開爾文”是熱力學(xué)溫度單位，4 K=-汞的電阻在269.15℃時突然消失，變?yōu)榱?。長期以來，科學(xué)家們都認為，只有汞、鉛、鋁等常規(guī)金屬和簡單合金，才能在極低的溫度下顯示出超導(dǎo)性。

一九八六年，約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨（Johannes Georg Bednorz）米勒·卡爾·亞歷山大（Karl Alexander Müller）銅氧化物，用于鋇鋇（La-Ba-Cu-O）高溫超導(dǎo)現(xiàn)象已被發(fā)現(xiàn)，臨界壓力可達30%。 K。之后，包括中國科學(xué)家在內(nèi)的許多國家的科學(xué)家將其超導(dǎo)臨界溫度提高到液氮溫度區(qū)(77 K）直到超出130 K。

高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)打破了人們對極低溫超導(dǎo)現(xiàn)象的認知。多年來，世界各地的科學(xué)家對高溫超導(dǎo)現(xiàn)象進行了各種形式的深入研究，但經(jīng)過近40年的努力，其形成機制仍然是一個謎。

高溫超導(dǎo)的一個重要研究課題是尋找新的高溫超導(dǎo)體。一方面，人們希望從新的角度尋找理解高溫超導(dǎo)機制的線索；另一方面，新的材料系統(tǒng)也可能提供新的發(fā)展前景。

鎳在元素周期表中與銅相鄰，鎳氧化物被稱為實現(xiàn)高溫超導(dǎo)電的重要替代材料之一。然而，經(jīng)過幾十年的研究，人們發(fā)現(xiàn)鎳氧化物具有非常嚴格的超導(dǎo)電性能。

Nd0.8Sr0，2019年，NiO2面無限層。.據(jù)報道，2NiO2系統(tǒng)具有超導(dǎo)電性能，其轉(zhuǎn)換溫度約為5-15。 K。但是這種系統(tǒng)的超導(dǎo)電性只能存在于薄膜樣品中，而塊材料很難實現(xiàn)超導(dǎo)。

2023年，中國科學(xué)家在La3Ni2O7中發(fā)現(xiàn)了兩層NiO2表面結(jié)構(gòu)的鎳氧化物壓力誘導(dǎo)高溫超導(dǎo)電，超導(dǎo)臨界溫度達到80 K，進一步將鎳氧化物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度提高到液氮溫區(qū)。但是這類材料的超導(dǎo)體積分數(shù)較低，容易出現(xiàn)絲狀超導(dǎo)現(xiàn)象。（filamentary superconductivity），體超導(dǎo)電性能難以形成。所以，找到一個新的超導(dǎo)系統(tǒng)，提高超導(dǎo)體積分數(shù)，實現(xiàn)超導(dǎo)電是非常重要的。

趙俊團隊在Nature公布的研究成果中，成功地合成了高質(zhì)量的三層鎳氧化物La4Ni3O10單晶樣品，在低于超導(dǎo)臨界溫度的情況下，顯示出零電阻和完全抗磁的邁斯納效應(yīng)，超導(dǎo)體積分達到86%，有力地證明了鎳氧化物的超導(dǎo)特性。

趙俊說：“這種超導(dǎo)體積分接近銅氧化物高溫超導(dǎo)體，這無疑驗證了鎳氧化物的超導(dǎo)電性能。

為超導(dǎo)研究提供全新的視角和平臺

發(fā)現(xiàn)更高性能的高溫超導(dǎo)體

2012年，趙俊在加州大學(xué)伯克利分校博士后工作后來到復(fù)旦大學(xué)物理系。研究內(nèi)容致力于高溫超導(dǎo)和量子磁性材料等相關(guān)電子系統(tǒng)的中子散射研究，同時從事大規(guī)模、優(yōu)質(zhì)單晶樣品的生長及其熱學(xué)和運輸特性的測試。

"高溫超導(dǎo)探索的突破大多是由實驗，特別是新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)所驅(qū)動的，到目前為止，仍有許多現(xiàn)象無法完全解釋。趙俊表示，“鎳氧化物單晶樣品的生長條件非?？量?，為了實現(xiàn)單晶樣品的穩(wěn)定生長，需要在特定的高氧壓環(huán)境中保持高溫尖銳的溫度場。由于成相的氧壓窗很小，很容易出現(xiàn)鎳氧化物層層共生的各種成分，在生長過程中容易出現(xiàn)大量頂氧位置不足，這可能是鎳氧化物超導(dǎo)含量低的原因。”

該團隊利用高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)生長了大量樣品，并不斷尋找總結(jié)規(guī)則。經(jīng)過多次失敗，純相三層La4Ni3O10鎳氧化物單晶樣品成功合成。此外，該團隊進行了一系列中子衍射和X射線衍射測量，準確測量了材料的晶格結(jié)構(gòu)、氧原子坐標和含量，發(fā)現(xiàn)頂點氧缺陷基本沒有。

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（a）La4Ni3O10-δ單晶樣品照片；（b）單晶衍射中子和X-ray數(shù)據(jù)；（c）晶格結(jié)構(gòu)在壓力下的演變

在優(yōu)質(zhì)單晶樣品的基礎(chǔ)上，團隊和合作伙伴發(fā)現(xiàn)了La4Ni3O10壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象，該現(xiàn)象是69 在GPa壓力下，超導(dǎo)臨界溫度達到30 K。據(jù)抗磁數(shù)據(jù)估計，該單晶樣品的超導(dǎo)體積分數(shù)達到86%，驗證了鎳氧化物的超導(dǎo)性能。

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La4Ni3O10-δ測量單晶樣品電阻和磁化率的結(jié)果

不同于NiO2表面在無限層和兩層鎳氧化物中具有相同的化學(xué)環(huán)境，三層結(jié)構(gòu)形成的獨特的三明治結(jié)構(gòu)使表面和中間層NiO2表面具有不同的化學(xué)環(huán)境，從而在內(nèi)層和表面NiO2表面產(chǎn)生不同的磁結(jié)構(gòu)、電子關(guān)聯(lián)強度、電荷濃度，甚至超導(dǎo)配對強度，這為超導(dǎo)電調(diào)節(jié)提供了更多的可能性，該結(jié)構(gòu)還提供了一個獨特的平臺，以了解固層藕合和電荷轉(zhuǎn)移在高溫超導(dǎo)中的作用。

此外，三層鎳氧化物比無限層和兩層系統(tǒng)有更高的反鐵磁序，這為理解自旋關(guān)聯(lián)和自旋起伏與鎳氧化物高溫超導(dǎo)機制的關(guān)系提供了一個很好的機會，而自旋起伏則被廣泛認為在銅氧化物超導(dǎo)匹配中起著關(guān)鍵作用。

該研究結(jié)果還對La4Ni3O10系統(tǒng)在壓力下的超導(dǎo)圖進行了精細描述，闡述了電荷密度波/自旋密度波、超導(dǎo)、奇異金屬行為與晶體結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系。結(jié)果表明，鎳氧化物超導(dǎo)可能與銅氧化物超導(dǎo)有不同的固層藕合機制，為研究鎳氧化物超導(dǎo)電機制提供了重要意見，為探索自旋序-電荷序、平帶結(jié)構(gòu)、固層關(guān)聯(lián)、奇異金屬行為和高溫超導(dǎo)電之間復(fù)雜的相互作用提供了重要的材料平臺。

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La4Ni3O10-δ壓力下的相圖

下一步，趙俊團隊將繼續(xù)聚焦高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的重大問題，探索高溫超導(dǎo)體在不同系統(tǒng)中的相互關(guān)系和機制，了解和發(fā)現(xiàn)性能更高的高溫超導(dǎo)體。

北京高壓科學(xué)研究中心研究員郭建剛、復(fù)旦大學(xué)教授趙俊、中國科學(xué)院物理研究所研究員曾橋石是論文的共同通訊作者。朱英浩、北京高壓科學(xué)研究中心博士生彭帝、復(fù)旦大學(xué)物理系張恩康、中國海洋大學(xué)董丙營副教授、中國科學(xué)院物理研究所陳旭工程師是復(fù)旦大學(xué)物理系博士后共同的第一作者。該研究得到了國家基金委員會、科技部、上海市科技委員會、北京市自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金的支持。在中國科學(xué)院綜合極端條件實驗裝置、美國橡樹嶺國家實驗室、上海同步輻射光源等大科學(xué)平臺上采集了部分探索數(shù)據(jù)。

文章鏈接

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

組 稿

校融媒體中心

文 字

殷夢昊 丁超逸

圖 片

被訪者供圖

責 編

殷夢昊

編 輯

邱潔心

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原題：“發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)體，復(fù)旦最新Nature！”

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