中国科大超导研究团队在镍基高温超导体研究中取得重要进展

　　中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心与物理系的陈仙辉研究团队与上海前瞻物质科学研究院曾桥石研究组、安徽大学葛炳辉研究组合作，近日在混合型Ruddlesden–Popper(RP)结构镍酸盐La5Ni3O11单晶中发现高压诱导的高温超导电性，该新结构超导体的发现拓展了镍基高温超导体材料家族，为高温超导机理研究提供了一个新的材料体系。相关研究成果于9月5日以“Pressure induced superconductivity in hybrid Ruddlesden‒Popper La5Ni3O11 single crystals”为题在线发表于《自然·物理》杂志。
 

　　上个世纪八十年代中，在发现铜氧高温超导体之后，人们期待在具有类似结构的镍氧化物材料中实现高温超导电性。 直到2019年，美国科学家首次在具有无限层NiO2平面的 Nd1-xSrxNiO2薄膜材料中实现了超导转变温度(Tc)9 - 15 K的超导电性，这一发现重燃了人们对镍基超导体的浓厚兴趣。2023年，中国科学家相继在具有双层NiO2平面的La3Ni2O7和具有三层NiO2平面的La4Ni3O10中发现高压诱导的超导电性，并且超导转变温度突破了液氮温区(77 K)。La3Ni2O7和La4Ni3O10属于Ruddlesden–Popper结构的镍酸盐，化学通式为(RO)(RNiO3)n (R为稀土元素，n = 1, 2, 3, …)。结构中的多层钙钛矿结构(RNiO3)n被认为是超导相的基本构建单元。在常压下，(RNiO3)n结构中的NiO6八面体发生畸变和倾斜，导致正交结构的形成。在这种正交结构中，RP相镍酸盐(n = 2和3)广泛观察到约130–150 K的密度波(DW)转变，涉及自旋和电荷密度波有序。之前的研究表明，随着压力的增加，NiO6八面体的畸变和倾斜被强烈抑制，约在15 GPa时发生从正交结构到四方结构的高压诱导结构转变，并且超导电性也随之出现，因此人们普遍认为具有四方结构的(RNiO3)n是产生超导电性的重要结构。
 

　　在前期的研究中，中国科大研究团队对Ruddlesden–Popper结构的镍酸盐开展了系列的工作。研究团队成功在常压下合成了具有四方结构的La4Ni3O10和La3Ni2O7并进行了压力下的输运测量，结果表明高压下的超导电性与常压下的密度波转变有非常重要的关联。四方结构的La4Ni3O10和La3Ni2O7在常压下由于没有密度波转变，在高压下也没有表现出超导电性。而在常压下具有密度波转变的正交结构La4Ni3O10和La3Ni2O7在高压下均展现出超导电性。这一发现表明密度波转变而非结构相变是镍基材料在压力下出现超导电性的一个重要先决条件，这一研究结果对镍基超导机理的理解和理论研究提供了重要思路。相关工作分别发表在Nat. Commun. 16, 2887 (2025)；Nat. Commun. 2025, in press。
 

图1 La5Ni3O11的晶体结构(a)和高压相图(b)
 

　　在上述工作的基础上，研究团队又进一步探索了更加广泛的Ruddlesden–Popper相镍酸盐材料。La5Ni3O11是一种独特的杂化镍酸盐，其结构由La3Ni2O7和La2NiO4层交替堆叠而成(图1a)，常压下表现密度波转变，转变温度在170 K左右。中国科大研究团队通过系统的高压电输运研究，发现随着压力的逐步增加，常压下的密度波转变温度呈现出逐渐升高的行为，并且基本不受压力诱导的正交-四方结构相变(约5 GPa左右)的影响。在压力升高到约12 GPa时密度波相变突然消失，并伴随着超导电性的出现，表明压力诱导了一个密度波相与超导相的一级相变。当压力进一步升高至约21 GPa时，该体系展现出最佳的超导转变，其零电阻超导转变温度Tc达到54 K。与此同时，研究团队通过高压抗磁性测量在最佳压力附近观察到迈斯纳效应，超导体积分数高达70%，表明其超导电性为体超导。继La3Ni2O7和La4Ni3O10之后，混合Ruddlesden–Popper结构高压下的超导的发现，不仅为镍基高温超导体家族增添了新的成员，也进一步证明了双层钙钛矿结构(RNiO3)2是重要的高温超导结构单元，为研究镍基材料中的高温超导机理提供了新的材料体系。
 

　　合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员石孟竹与上海前瞻物质科学研究院副研究员彭帝为文章的共同第一作者，陈仙辉教授、吴涛教授和上海前瞻物质科学研究院曾桥石研究员为文章的共同通讯作者。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院以及上海市科技委项目的资助。