複旦大學物理學係團隊發現新型高溫超導體

超導體因巨大應用潛力備受關注，尋找新型高溫超導體是科學界孜孜以求的目標。

北京時間7月17日晚，複旦大學物理學係趙俊教授團隊的研究成果以“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals”為題發表於最新一期的《自然》（Nature）。

研究成果截圖?本文圖片均為 複旦大學 供圖

趙俊教授團隊利用高壓光學浮區技術成功生長了三層鎳氧化物La4Ni3O10高質量單晶樣品，證實了鎳氧化物中具有壓力誘導的體超導電性 (bulk superconductivity)，其超導體積分數達到86%，這意味著又一新型高溫超導體被發現。研究還發現該類材料呈現出奇異金屬和獨特的層間耦合行為，為人們理解高溫超導機理提供了新的視角和平台。

趙俊（前排左三）課題組成員合影

超導體指的是在特定轉變溫度之下電阻為零且呈現完全抗磁性的材料，能廣泛應用於電力傳輸和儲能、醫學成像、磁懸浮列車、量子計算等領域，具有重要的科學研究和技術應用價值。多年來，世界各國科學家圍繞高溫超導現象進行了各種形式的深入研究，但經過近四十年的努力，其形成機理仍是未解之謎。

研究高溫超導的一個重要課題，就是尋找新型高溫超導體。一方麵，人們希望從新的角度尋找理解高溫超導機理的線索，另一方麵，新的材料體係也可能提供新的應用前景。

在Nature此次發布的研究成果中，趙俊團隊成功合成了高質量的三層鎳氧化物La4Ni3O10單晶樣品，樣品在低於超導臨界溫度下表現出了零電阻和完全抗磁的邁斯納效應，超導體積分數達到86%，有力證明了鎳氧化物的體超導性質。

“這個超導體積分數與銅氧化物高溫超導體接近，毫無疑問證實了鎳氧化物的體超導電性。”趙俊表示。

趙俊2012年在加州大學伯克利分校博士後工作結束後來到複旦大學物理學係，研究方向專注於高溫超導和量子磁性材料等關聯電子體係的中子散射研究，同時從事大尺度、高質量單晶樣品的生長及其熱力學和輸運性質的測量。

“高溫超導研究的突破大多由實驗、特別是新超導體的發現驅動，至今為止還有很多現有理論無法完全解釋的現象。”趙俊介紹，“鎳氧化物單晶樣品的生長條件十分苛刻，需要在特定的高氧壓的環境中，保持高溫和尖銳的溫度梯度，才能實現單晶樣品的穩定生長。由於成相的氧壓窗口很小，因此容易出現多種成分的鎳氧化物層狀共生的現象，且生長過程中極易出現大量頂點氧位置的缺陷，這可能是鎳氧化物超導含量低的原因。”

團隊利用高壓光學浮區技術生長了大批樣品，不斷尋找總結規律，中間曆經多次失敗，最終成功合成了純相三層La4Ni3O10鎳氧化物單晶樣品。進一步，團隊開展了一係列中子衍射和X射線衍射測量，精確測定了材料的晶格結構和氧原子坐標及含量，發現其中幾乎沒有頂點氧缺陷。

以高質量單晶樣品為基礎，團隊與合作者利用金剛石對頂砧技術，發現了La4Ni3O10壓力誘導的超導零電阻現象，在69 GPa壓力下，超導臨界溫度達到30K。根據抗磁性數據估算，該單晶樣品的超導體積分數高達86%，證實了鎳氧化物的體超導性質。

這項研究結果還精細刻畫了La4Ni3O10體係在壓力下的超導相圖，闡明了電荷密度波/自旋密度波、超導、奇異金屬行為和晶體結構相變在相圖中的關係。結果表明鎳氧化物超導可能與銅氧化物超導有著不同的層間耦合機製，為鎳氧化物超導電性機理的研究提供了重要見解，並為探索自旋序-電荷序、平帶結構、層間關聯、奇異金屬行為和高溫超導電性之間的複雜相互作用提供了重要的材料平台。

下一步，趙俊團隊還將繼續聚焦高溫超導領域重大問題，探究不同體係高溫超導體的內在聯係和機理，理解和發現更高性能的高溫超導體。

複旦大學教授趙俊、中國科學院物理研究所研究員郭建剛、北京高壓科學研究中心研究員曾橋石，為論文的共同通訊作者。複旦大學物理學係博士後朱英浩、北京高壓科學研究中心博士生彭帝、複旦大學物理係張恩康、中國海洋大學泮丙營副教授、中國科學院物理研究所陳旭工程師為共同第一作者。