图说：（a）La4Ni3O10-δ单晶样品照片；（b）中子和X-ray单晶衍射数据；（c）压力下晶格结构的演变
超导体因巨大应用潜力备受关注，寻找新型高温超导体是科学界孜孜以求的目标。Nature刚刚发布复旦最新成果，又一新型高温超导体被发现。
复旦大学物理学系赵俊教授团队利用高压光学浮区技术成功生长了三层镍氧化物La4Ni3O10高质量单晶样品，证实了镍氧化物中具有压力诱导的体超导电性 (bulk superconductivity)，其超导体积分数达到86%。
研究还发现，该类材料呈现出奇异金属和独特的层间耦合行为，为人们理解高温超导机理提供了新的视角和平台。
北京时间7月17日晚，该研究成果发表于最新一期的《自然》（Nature）。
镍氧化物到底能不能体超导？物理难题有了答案。
超导体指的是在特定转变温度之下电阻为零且呈现完全抗磁性的材料，能广泛应用于电力传输和储能、医学成像、磁悬浮列车、量子计算等领域，具有重要的科学研究和技术应用价值。迄今为止，已有10位科学家因超导研究获诺贝尔奖。
1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在汞（Hg）中首次发现超导现象——当他把汞冷却到约4 K（“K”为热力学温度单位“开尔文”，4 K=-269.15℃）时，汞的电阻突然消失，变为零。此后很长时间，科学家们都认为只有汞、铅、铝等常规金属和简单合金，在极低温下才能展现出超导性。
直到1986年，约翰内斯·贝德诺尔茨和卡尔·亚历山大·米勒在镧钡铜氧化物（La-Ba-Cu-O）中发现了高温超导现象，临界温度可以高达30 K。后来，包括我国科学家在内的多国科学家将其超导临界温度提升至液氮温区（77 K）直至超过130 K。
图说：La4Ni3O10-δ单晶样品的电阻和磁化率测量结果
高温超导现象的发现，突破了人们对超导只能存在于极低温的认知。多年来，世界各国科学家围绕高温超导现象进行了各种形式的深入研究，但经过近四十年努力，其形成机理仍是未解之谜。
研究高温超导的一个重要课题，就是寻找新型高温超导体。镍元素在元素周期表中紧邻铜元素，镍氧化物被认为是实现高温超导电性的重要候选材料之一。但经过几十年的研究，人们发现在镍氧化物中实现超导电性的条件十分苛刻。
2023年，中国科学家在具有双层NiO2面结构的镍氧化物La3Ni2O7中发现了压力诱导的高温超导电性，超导临界温度达到80 K，进一步将镍氧化物的超导转变温度提高到了液氮温区。但这种材料的超导体积分数较低，很难形成体超导电性。因此，寻找新的超导体系，提高超导体积分数，实现体超导电性十分关键。
在Nature此次发布的研究成果中，赵俊团队成功合成了高质量的三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品，样品在低于超导临界温度下表现出了零电阻和完全抗磁的迈斯纳效应，超导体积分数达到86%，有力证明了镍氧化物的体超导性质。
“这个超导体积分数与铜氧化物高温超导体接近，毫无疑问证实了镍氧化物的体超导电性。”赵俊表示。
以高质量单晶样品为基础，团队与合作者利用金刚石对顶砧技术，发现了La4Ni3O10压力诱导的超导零电阻现象，在69 GPa压力下，超导临界温度达到30 K。根据抗磁性数据估算，该单晶样品的超导体积分数高达86%，证实了镍氧化物的体超导性质。
这项研究结果还精细刻画了La4Ni3O10体系在压力下的超导相图，阐明了电荷密度波/自旋密度波、超导、奇异金属行为和晶体结构相变在相图中的关系。结果表明镍氧化物超导可能与铜氧化物超导有着不同的层间耦合机制，为镍氧化物超导电性机理的研究提供了重要见解，并为探索自旋序-电荷序、平带结构、层间关联、奇异金属行为和高温超导电性之间的复杂相互作用提供了重要的材料平台。
下一步，赵俊团队还将继续聚焦高温超导领域重大问题，探究不同体系高温超导体的内在联系和机理，理解和发现更高性能的高温超导体。
新民晚报记者 张炯强
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