中國高溫超導研究再傳捷報：科學家揭示鎳基高溫超導結構起源，同時提供零電阻和抗磁性的證據

從 2013 年到北京科技大學讀本科，到如今在中國科學院物理研究所完成碩博連讀和博士後研究，在北京市海澱區的方圓幾公裡間 31 歲的王寧寧研究物理學已有 11 年。

而在幾週前他所發表的一篇一作 Nature 論文，不僅是其個人科研生涯的高峰之一，也彰顯了中國科學家在超導領域的實力。

研究中，王寧寧等人揭示了鎳酸鹽中高溫超導電性的結構起源，並為鎳酸鹽的進一步優化設計與合成提供了重要指導作用。

這將推動鎳基高溫超導材料的發展，也讓朝著在常壓環境下實現鎳基高溫超導及其潛在應用的目標邁出了關鍵一小步。

審稿人表示：「據我所知，這是首個同時提供零電阻和抗磁性證據的研究報導，表明雙層鎳酸鹽具有塊體高溫超導電性。

這項工作的其中一個重要發現在於揭示了不同 Ruddlesden-Popper 相的共生對於實現塊體高溫超導性是有害的，而這一點此前在該領域之內處於被忽視的狀態。」

這位審稿人繼續表示：「我認為這些結果澄清了當前的謎團，或者至少為 La3Ni2O7 樣品在壓力下表現出絲狀高溫超導電性的起源提供了合理的解釋。

這項研究傳遞的信息令人鼓舞，並且在優化雙層鎳酸鹽的超導性質方面具有迫切需要。」

揭示鎳酸鹽中高溫超導電性的結構起源

據介紹，高溫超導體因其在能源傳輸、量子計算和強磁場應用等領域的廣泛應用前景而備受關注。尋找新的高溫超導材料體系及揭示其物理機制一直是超導領域的重要研究方向。

2023 年，科學家發現 La3Ni2O7 單晶在高壓下表現出約 80K 的高溫超導特徵，為高溫超導領域的研究注入了新的活力。

隨後，科學家在 La3Ni2O7 體系中成功觀察到零電阻態，但關於其完全抗磁性的實驗證據仍然缺乏。

實驗研究還表明，La3Ni2O7 單晶樣品穩定生長的氧壓範圍很窄，容易出現化學組分不均勻、內頂角氧空位以及多種鎳氧化物共存等問題。

這些因素讓學術界對 La3Ni2O7 中高溫超導電性的結構起源，以及該體系是否能實現體超導態等核心科學問題存在爭議，以至於嚴重阻礙了鎳基高溫超導體的研究進程。

因此，本次研究旨在揭示鎳酸鹽中高溫超導電性的結構起源，並優化樣品以實現體超導態，從而推動該領域的發展。

除瞭解決上述關鍵科學問題外，他們還發現不同鎳氧化物相的交織共生，對於實現雙層鎳酸鹽中的塊體高溫超導電性具有不利影響。

本次研究指出：通過用離子半徑較小的稀土元素部分替代鑭元素，可以有效地穩定雙層鎳酸鹽結構，從而有助於製備高品質的單相樣品。

此前，從實驗上獲得單相的雙層鎳酸鹽結構的單晶樣品仍然面臨很大挑戰，但是本次研究則在一定程度上解決了上述問題。

整個研究全程主要分為三個關鍵環節，每一步都緊密相連，既蘊含著必然的思維碰撞，也有意想不到的發現。

首先，他們選擇多晶樣品作為研究對象。

製定這個決策並非偶然，王寧寧所在團隊此前曾參與鎳氧化物高溫超導的原始發現工作，並且是國際上最早注意到 La3Ni2O7 單晶樣品存在化學組分不均勻以及多種鎳氧化物共存等問題的研究團隊之一。

意識到目前很難解決單晶樣品中的這些問題之後，他們將研究思路轉向更易於調控晶體質量和氧含量的多晶樣品。

其次，他們非常重視樣品的微觀結構表徵。

在合成一系列的鐠（Pr）摻雜的 La3-xPrxNi2O7-d(0£ x £ 1.0) 多晶樣品後，他們不僅採用傳統的粉末 X 射線、掃瞄電鏡、能量色散 X 射線光譜和熱重分析來表徵樣品的晶體結構、元素分佈和氧含量，還利用中子衍射、高分辨透射電鏡和核四極矩共振等多種先進手段對樣品的微觀結構進行了深入的研究。

借此發現鐠摻雜 1/3 比例的 La2PrNi2O7 多晶樣品的具有最佳的單相性，於是他們選擇這一樣品作為主要研究對象。

最後，他們採用大腔體立方六面砧和多級壓砧技術作為測試手段。

這兩種高壓測試技術能在最大程度上保證壓力的各向同性和均勻性，從而可以有效克服鎳基超導材料對非靜水壓環境異常敏感而無法實現零電阻的難題。

同時，這兩種高壓測試技術能夠提供較大的樣品腔環境，從而能夠方便地開展高壓交流磁化率測量，通過此研究人員發現了體超導的關鍵實驗證據，進而揭示了鎳基高溫超導的結構起源。

據王寧寧介紹，研究中他和合作者先是獲得了鐠摻雜樣品的高壓電輸運數據，發現其超導轉變寬度顯著優於母體樣品。大家看到以後都興奮不已，認為這個樣品有希望實現完全抗磁性。

然而，當他們測試了樣品在 15 萬個大氣壓條件下的交流磁化率時，結果卻令他們失望，所觀察到的超導體積分數仍然很小。

儘管此時零電阻溫度已達到接近 40 開爾文，不過這個結果遠低於他們的預期，這讓他們對於這種樣品能否實現體超導態產生了懷疑。

而由於該領域的競爭非常激烈，因此他們開始考慮是否要迅速將已測試的數據整理成為論文併發表。

但是，擔任本次論文通訊作者的中國科學院物理研究所程金光研究員意識到：實驗上觀察到的抗磁信號不明顯，應該是測試壓力不夠所致。

基於此，程金光堅持認為應該將測試的壓力擴展到更高的範圍。

在程金光的建議之下，王寧寧等人採用多級壓砧技術，將測試的壓力範圍提高到 20 萬個大氣壓範圍。這一努力最終促使他們在更高壓力條件下觀測到了體超導存在的關鍵實驗證據。

「這讓我深刻體會到，科學研究必須秉持追根問底的精神。這不僅是對自身研究的負責，以防止發佈錯誤的結論，更是對每一個重要發現機會的珍視。」王寧寧表示。

中國科學院物理研究所的王寧寧博士、博士生王罡、博士生侯鈞，以及日本東京大學物性研究所特任研究員沈曉玲（現為上海交通大學博士後）是共同一作。

中國科學院物理研究所程金光研究員、王寧寧博士、周睿研究員以及日本東京大學物性研究所上床美也（Uwatoko Yoshiya）教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature）

總的來說，本次研究表明，使用離子半徑較小的鐠元素部分替代鑭（La）元素，可以有效穩定雙層鎳酸鹽結構，從而有助於製備高品質的單相樣品。

不過，本次研究主要基於多晶樣品，下一步他們將嘗試生長高質量的純相單晶樣品或單晶薄膜，以獲取更多關於材料內部相互作用和超導電性的信息，為揭示該體系的超導機理做出貢獻。

此外，通過對比不同稀土摻雜樣品與母體樣品，他們發現鑭位置平均離子半徑的增大，能夠降低該體繫在施加壓力時發生結構相變並超導的臨界壓力。

因此，未來他們希望通過採用離子半徑較大的堿土金屬元素替代鑭，或通過薄膜外延應變工程調控晶格參數等方式，以促進該體繫在常壓環境下實現超導以及提高超導轉變溫度，從而為高溫超導機理的深入探討提供更多線索。

參考資料：

1.Wang, N., Wang, G., Shen, X.et al. Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonalLa2PrNi2O7. Nature 634, 579–584 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07996-8

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