超導(dǎo)體因巨大應(yīng)用潛力備受關(guān)注，尋找新型高溫超導(dǎo)體是科學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。

北京時(shí)間7月17日晚，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系趙俊教授團(tuán)隊(duì)的研究成果以“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals”為題發(fā)表于最新一期的《自然》（Nature）。

研究成果截圖 本文圖片均為 復(fù)旦大學(xué) 供圖

趙俊教授團(tuán)隊(duì)利用高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)成功生長了三層鎳氧化物L(fēng)a4Ni3O10高質(zhì)量單晶樣品，證實(shí)了鎳氧化物中具有壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性 (bulk superconductivity)，其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到86%，這意味著又一新型高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。研究還發(fā)現(xiàn)該類材料呈現(xiàn)出奇異金屬和獨(dú)特的層間耦合行為，為人們理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的視角和平臺(tái)。

趙俊（前排左三）課題組成員合影

超導(dǎo)體指的是在特定轉(zhuǎn)變溫度之下電阻為零且呈現(xiàn)完全抗磁性的材料，能廣泛應(yīng)用于電力傳輸和儲(chǔ)能、醫(yī)學(xué)成像、磁懸浮列車、量子計(jì)算等領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。多年來，世界各國科學(xué)家圍繞高溫超導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行了各種形式的深入研究，但經(jīng)過近四十年的努力，其形成機(jī)理仍是未解之謎。

研究高溫超導(dǎo)的一個(gè)重要課題，就是尋找新型高溫超導(dǎo)體。一方面，人們希望從新的角度尋找理解高溫超導(dǎo)機(jī)理的線索，另一方面，新的材料體系也可能提供新的應(yīng)用前景。

在Nature此次發(fā)布的研究成果中，趙俊團(tuán)隊(duì)成功合成了高質(zhì)量的三層鎳氧化物L(fēng)a4Ni3O10單晶樣品，樣品在低于超導(dǎo)臨界溫度下表現(xiàn)出了零電阻和完全抗磁的邁斯納效應(yīng)，超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到86%，有力證明了鎳氧化物的體超導(dǎo)性質(zhì)。

“這個(gè)超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)與銅氧化物高溫超導(dǎo)體接近，毫無疑問證實(shí)了鎳氧化物的體超導(dǎo)電性。”趙俊表示。

趙俊2012年在加州大學(xué)伯克利分校博士后工作結(jié)束后來到復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，研究方向?qū)Ｗ⒂诟邷爻瑢?dǎo)和量子磁性材料等關(guān)聯(lián)電子體系的中子散射研究，同時(shí)從事大尺度、高質(zhì)量單晶樣品的生長及其熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)的測量。

“高溫超導(dǎo)研究的突破大多由實(shí)驗(yàn)、特別是新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，至今為止還有很多現(xiàn)有理論無法完全解釋的現(xiàn)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(huán)境中，保持高溫和尖銳的溫度梯度，才能實(shí)現(xiàn)單晶樣品的穩(wěn)定生長。由于成相的氧壓窗口很小，因此容易出現(xiàn)多種成分的鎳氧化物層狀共生的現(xiàn)象，且生長過程中極易出現(xiàn)大量頂點(diǎn)氧位置的缺陷，這可能是鎳氧化物超導(dǎo)含量低的原因。”

團(tuán)隊(duì)利用高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)生長了大批樣品，不斷尋找總結(jié)規(guī)律，中間歷經(jīng)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(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)開展了一系列中子衍射和X射線衍射測量，精確測定了材料的晶格結(jié)構(gòu)和氧原子坐標(biāo)及含量，發(fā)現(xiàn)其中幾乎沒有頂點(diǎn)氧缺陷。

以高質(zhì)量單晶樣品為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)與合作者利用金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了La4Ni3O10壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象，在69 GPa壓力下，超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到30K。根據(jù)抗磁性數(shù)據(jù)估算，該單晶樣品的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)高達(dá)86%，證實(shí)了鎳氧化物的體超導(dǎo)性質(zhì)。

這項(xiàng)研究結(jié)果還精細(xì)刻畫了La4Ni3O10體系在壓力下的超導(dǎo)相圖，闡明了電荷密度波/自旋密度波、超導(dǎo)、奇異金屬行為和晶體結(jié)構(gòu)相變在相圖中的關(guān)系。結(jié)果表明鎳氧化物超導(dǎo)可能與銅氧化物超導(dǎo)有著不同的層間耦合機(jī)制，為鎳氧化物超導(dǎo)電性機(jī)理的研究提供了重要見解，并為探索自旋序-電荷序、平帶結(jié)構(gòu)、層間關(guān)聯(lián)、奇異金屬行為和高溫超導(dǎo)電性之間的復(fù)雜相互作用提供了重要的材料平臺(tái)。

下一步，趙俊團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)聚焦高溫超導(dǎo)領(lǐng)域重大問題，探究不同體系高溫超導(dǎo)體的內(nèi)在聯(lián)系和機(jī)理，理解和發(fā)現(xiàn)更高性能的高溫超導(dǎo)體。

復(fù)旦大學(xué)教授趙俊、中國科學(xué)院物理研究所研究員郭建剛、北京高壓科學(xué)研究中心研究員曾橋石，為論文的共同通訊作者。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士后朱英浩、北京高壓科學(xué)研究中心博士生彭帝、復(fù)旦大學(xué)物理系張恩康、中國海洋大學(xué)泮丙營副教授、中國科學(xué)院物理研究所陳旭工程師為共同第一作者。