近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)等在雜化鎳酸鹽（La5Ni3O11）單晶中發(fā)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)電性。這一發(fā)現(xiàn)拓展了鎳基高溫超導(dǎo)體材料家族，為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了新平臺(tái)。

01

高溫超導(dǎo)機(jī)理仍然是謎

超導(dǎo)材料具有零電阻與完全抗磁性（又稱邁斯納效應(yīng)），使得超導(dǎo)體在電力傳輸、磁懸浮列車、核磁共振成像、粒子加速器及可控核聚變等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而，超導(dǎo)作為宏觀的量子現(xiàn)象，通常是在接近絕對(duì)零度的溫度下發(fā)生，限制了超導(dǎo)材料的使用。

2019年，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度9K至15K超導(dǎo)電性，讓鎳基超導(dǎo)體研究成為熱點(diǎn)。2023年，我國科學(xué)家相繼在具有雙層NiO2平面的La3Ni2O7，以及具有三層NiO2平面的La4Ni3O10中，發(fā)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性，且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破液氮溫區(qū)。

目前，高溫超導(dǎo)機(jī)理仍然是人類未解的科學(xué)謎團(tuán)之一。探索新的高溫超導(dǎo)材料家族，有助于揭開高溫超導(dǎo)機(jī)理的神秘面紗。

▲La 5 Ni 3 O 11 的晶體結(jié)構(gòu)（a）和高壓相圖（b）

02

超導(dǎo)研究新思路

鎳酸鹽材料La3Ni2O7和La4Ni3O10中的多層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)子單元(RNiO3)n，被認(rèn)為是超導(dǎo)相的基本構(gòu)建單元。常壓下，兩個(gè)材料在130K至150K附近都可觀察到密度波轉(zhuǎn)變，從而抑制超導(dǎo)電性出現(xiàn)。

此前研究表明，隨著壓力增加，NiO6八面體的畸變和傾斜被抑制，約在15GPa時(shí)發(fā)生從正交結(jié)構(gòu)到四方結(jié)構(gòu)的高壓誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，超導(dǎo)電性隨之出現(xiàn)。因此，普遍認(rèn)為具有四方結(jié)構(gòu)的(RNiO3)n是產(chǎn)生超導(dǎo)電性的先決條件。

對(duì)此，科研團(tuán)隊(duì)開展了進(jìn)一步的系統(tǒng)研究，在常壓下合成了具有四方結(jié)構(gòu)的La4Ni3O10和La3Ni2O7，并進(jìn)行壓力下的輸運(yùn)測(cè)量。

結(jié)果表明，高壓下的超導(dǎo)電性與常壓下的密度波轉(zhuǎn)變存在重要關(guān)聯(lián)。四方結(jié)構(gòu)的La4Ni3O10和La3Ni2O7在常壓下沒有密度波轉(zhuǎn)變，因而在高壓下沒有表現(xiàn)出超導(dǎo)電性。而在常壓下具有密度波轉(zhuǎn)變的正交結(jié)構(gòu)La4Ni3O10和La3Ni2O7，在高壓下均展現(xiàn)出超導(dǎo)電性。

這表明，密度波轉(zhuǎn)變而非結(jié)構(gòu)相變，是鎳基材料在壓力下出現(xiàn)超導(dǎo)電性的重要先決條件，為鎳基超導(dǎo)機(jī)理的理解和理論研究提供了思路。

03

鎳基超導(dǎo)體家族

增添新成員

在上述工作的基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了更廣泛的鎳酸鹽材料。La5Ni3O11是獨(dú)特的“雜化”鎳酸鹽，其結(jié)構(gòu)由La3Ni2O7和La2NiO4層交替堆疊而成，常壓下同樣具有一個(gè)約170K的密度波轉(zhuǎn)變。

科研團(tuán)隊(duì)通過高壓電輸運(yùn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著壓力逐步增加，常壓下的密度波轉(zhuǎn)變溫度呈現(xiàn)逐漸升高的行為，基本不受壓力誘導(dǎo)的正交-四方結(jié)構(gòu)相變的影響。

在壓力升高到約12GPa時(shí)，密度波相變突然消失，并伴有超導(dǎo)電性出現(xiàn)，表明壓力誘導(dǎo)了一個(gè)密度波相與超導(dǎo)相的一級(jí)相變。當(dāng)壓力進(jìn)一步升高至約21GPa時(shí)，該體系展現(xiàn)出最佳的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，其零電阻超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc達(dá)到54K。

同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)通過高壓抗磁性測(cè)量，在最佳壓力附近觀察到邁斯納效應(yīng)，超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)70%，表明其超導(dǎo)電性為體超導(dǎo)。

繼La3Ni2O7和La4Ni3O10之后，“雜化”鎳酸鹽材料高壓下超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)，為鎳基高溫超導(dǎo)體家族增添了新成員，并證明了雙層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(RNiO3)2是重要的高溫超導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元，為探究鎳基材料中的高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的材料體系。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41567-025-03023-3

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：侯茜