中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)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(zhì)科學(xué)研究院曾橋石研究組、安徽大學(xué)葛炳輝研究組合作，近日在混合型Ruddlesden–Popper(RP)結(jié)構(gòu)鎳酸鹽La5Ni3O11單晶中發(fā)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)電性，該新結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)拓展了鎳基高溫超導(dǎo)體材料家族，為高溫超導(dǎo)機理研究提供了一個新的材料體系。相關(guān)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(fā)表于《自然·物理》雜志。
 

　　上個世紀八十年代中，在發(fā)現(xiàn)銅氧高溫超導(dǎo)體之后，人們期待在具有類似結(jié)構(gòu)的鎳氧化物材料中實現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性。 直到2019年，美國科學(xué)家首次在具有無限層NiO2平面的 Nd1-xSrxNiO2薄膜材料中實現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)9 - 15 K的超導(dǎo)電性，這一發(fā)現(xiàn)重燃了人們對鎳基超導(dǎo)體的濃厚興趣。2023年，中國科學(xué)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(fā)現(xiàn)高壓誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性，并且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破了液氮溫區(qū)(77 K)。La3Ni2O7和La4Ni3O10屬于Ruddlesden–Popper結(jié)構(gòu)的鎳酸鹽，化學(xué)通式為(RO)(RNiO3)n (R為稀土元素，n = 1, 2, 3, …)。結(jié)構(gòu)中的多層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(RNiO3)n被認為是超導(dǎo)相的基本構(gòu)建單元。在常壓下，(RNiO3)n結(jié)構(gòu)中的NiO6八面體發(fā)生畸變和傾斜，導(dǎo)致正交結(jié)構(gòu)的形成。在這種正交結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(fā)生從正交結(jié)構(gòu)到四方結(jié)構(gòu)的高壓誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并且超導(dǎo)電性也隨之出現(xiàn)，因此人們普遍認為具有四方結(jié)構(gòu)的(RNiO3)n是產(chǎn)生超導(dǎo)電性的重要結(jié)構(gòu)。
 

　　在前期的研究中，中國科大研究團隊對Ruddlesden–Popper結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的La4Ni3O10和La3Ni2O7并進行了壓力下的輸運測量，結(jié)果表明高壓下的超導(dǎo)電性與常壓下的密度波轉(zhuǎn)變有非常重要的關(guān)聯(lián)。四方結(jié)構(gòu)的La4Ni3O10和La3Ni2O7在常壓下由于沒有密度波轉(zhuǎn)變，在高壓下也沒有表現(xiàn)出超導(dǎo)電性。而在常壓下具有密度波轉(zhuǎn)變的正交結(jié)構(gòu)La4Ni3O10和La3Ni2O7在高壓下均展現(xiàn)出超導(dǎo)電性。這一發(fā)現(xiàn)表明密度波轉(zhuǎn)變而非結(jié)構(gòu)相變是鎳基材料在壓力下出現(xiàn)超導(dǎo)電性的一個重要先決條件，這一研究結(jié)果對鎳基超導(dǎo)機理的理解和理論研究提供了重要思路。相關(guān)工作分別發(fā)表在Nat. Commun. 16, 2887 (2025)；Nat. Commun. 2025, in press。
 

圖1 La5Ni3O11的晶體結(jié)構(gòu)(a)和高壓相圖(b)
 

　　在上述工作的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)由La3Ni2O7和La2NiO4層交替堆疊而成(圖1a)，常壓下表現(xiàn)密度波轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度在170 K左右。中國科大研究團隊通過系統(tǒng)的高壓電輸運研究，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的逐步增加，常壓下的密度波轉(zhuǎn)變溫度呈現(xiàn)出逐漸升高的行為，并且基本不受壓力誘導(dǎo)的正交-四方結(jié)構(gòu)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(dǎo)電性的出現(xiàn)，表明壓力誘導(dǎo)了一個密度波相與超導(dǎo)相的一級相變。當壓力進一步升高至約21 GPa時，該體系展現(xiàn)出最佳的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，其零電阻超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(yīng)，超導(dǎo)體積分數(shù)高達70%，表明其超導(dǎo)電性為體超導(dǎo)。繼La3Ni2O7和La4Ni3O10之后，混合Ruddlesden–Popper結(jié)構(gòu)高壓下的超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，不僅為鎳基高溫超導(dǎo)體家族增添了新的成員，也進一步證明了雙層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(RNiO3)2是重要的高溫超導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元，為研究鎳基材料中的高溫超導(dǎo)機理提供了新的材料體系。
 

　　合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心特任副研究員石孟竹與上海前瞻物質(zhì)科學(xué)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(zhì)科學(xué)研究院曾橋石研究員為文章的共同通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院以及上海市科技委項目的資助。