【儀表網 研發快訊】中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心與物理系的陳仙輝研究團隊與上海前瞻物質科學研究院曾橋石研究組、安徽大學葛炳輝研究組合作，近日在混合型Ruddlesden–Popper(RP)結構鎳酸鹽La5Ni3O11單晶中發現高壓誘導的高溫超導電性，該新結構超導體的發現拓展了鎳基高溫超導體材料家族，為高溫超導機理研究提供了一個新的材料體系。相關研究成果于9月5日以“Pressure induced superconductivity in hybrid Ruddlesden?Popper La5Ni3O11 single crystals”為題在線發表于《自然·物理》雜志。
上個世紀八十年代中，在發現銅氧高溫超導體之后，人們期待在具有類似結構的鎳氧化物材料中實現高溫超導電性。 直到2019年，美國科學家首次在具有無限層NiO2平面的 Nd1-xSrxNiO2薄膜材料中實現了超導轉變溫度(Tc)9 - 15 K的超導電性，這一發現重燃了人們對鎳基超導體的濃厚興趣。2023年，中國科學家相繼在具有雙層NiO2平面的La3Ni2O7和具有三層NiO2平面的La4Ni3O10中發現高壓誘導的超導電性，并且超導轉變溫度突破了液氮溫區(77 K)。La3Ni2O7和La4Ni3O10屬于Ruddlesden–Popper結構的鎳酸鹽，化學通式為(RO)(RNiO3)n (R為稀土元素，n = 1, 2, 3, …)。結構中的多層鈣鈦礦結構(RNiO3)n被認為是超導相的基本構建單元。在常壓下，(RNiO3)n結構中的NiO6八面體發生畸變和傾斜，導致正交結構的形成。在這種正交結構中，RP相鎳酸鹽(n = 2和3)廣泛觀察到約130–150 K的密度波(DW)轉變，涉及自旋和電荷密度波有序。之前的研究表明，隨著壓力的增加，NiO6八面體的畸變和傾斜被強烈抑制，約在15 GPa時發生從正交結構到四方結構的高壓誘導結構轉變，并且超導電性也隨之出現，因此人們普遍認為具有四方結構的(RNiO3)n是產生超導電性的重要結構。
在前期的研究中，中國科大研究團隊對Ruddlesden–Popper結構的鎳酸鹽開展了系列的工作。研究團隊成功在常壓下合成了具有四方結構的La4Ni3O10和La3Ni2O7并進行了壓力下的輸運測量，結果表明高壓下的超導電性與常壓下的密度波轉變有非常重要的關聯。四方結構的La4Ni3O10和La3Ni2O7在常壓下由于沒有密度波轉變，在高壓下也沒有表現出超導電性。而在常壓下具有密度波轉變的正交結構La4Ni3O10和La3Ni2O7在高壓下均展現出超導電性。這一發現表明密度波轉變而非結構相變是鎳基材料在壓力下出現超導電性的一個重要先決條件，這一研究結果對鎳基超導機理的理解和理論研究提供了重要思路。相關工作分別發表在Nat. Commun. 16, 2887 (2025)；Nat. Commun. 2025, in press。
圖1 La5Ni3O11的晶體結構(a)和高壓相圖(b)
在上述工作的基礎上，研究團隊又進一步探索了更加廣泛的Ruddlesden–Popper相鎳酸鹽材料。La5Ni3O11是一種獨特的雜化鎳酸鹽，其結構由La3Ni2O7和La2NiO4層交替堆疊而成(圖1a)，常壓下表現密度波轉變，轉變溫度在170 K左右。中國科大研究團隊通過系統的高壓電輸運研究，發現隨著壓力的逐步增加，常壓下的密度波轉變溫度呈現出逐漸升高的行為，并且基本不受壓力誘導的正交-四方結構相變(約5 GPa左右)的影響。在壓力升高到約12 GPa時密度波相變突然消失，并伴隨著超導電性的出現，表明壓力誘導了一個密度波相與超導相的一級相變。當壓力進一步升高至約21 GPa時，該體系展現出最佳的超導轉變，其零電阻超導轉變溫度Tc達到54 K。與此同時，研究團隊通過高壓抗磁性測量在最佳壓力附近觀察到邁斯納效應，超導體積分數高達70%，表明其超導電性為體超導。繼La3Ni2O7和La4Ni3O10之后，混合Ruddlesden–Popper結構高壓下的超導的發現，不僅為鎳基高溫超導體家族增添了新的成員，也進一步證明了雙層鈣鈦礦結構(RNiO3)2是重要的高溫超導結構單元，為研究鎳基材料中的高溫超導機理提供了新的材料體系。
合肥微尺度物質科學國家研究中心特任副研究員石孟竹與上海前瞻物質科學研究院副研究員彭帝為文章的共同第一作者，陳仙輝教授、吳濤教授和上海前瞻物質科學研究院曾橋石研究員為文章的共同通訊作者。相關工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院以及上海市科技委項目的資助。
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