清華新聞網(wǎng)7月13日電 清華大學(xué)物理系張廣銘教授與中山大學(xué)王猛教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)合作，首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)一種液氮溫區(qū)壓力下可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的鎳氧化物——鑭鎳氧327（La3Ni2O7）。這是我國(guó)科學(xué)家在國(guó)際高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域做出的一項(xiàng)突破性科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也是理論與實(shí)驗(yàn)工作者深度合作產(chǎn)生的科學(xué)成就。
高溫超導(dǎo)研究是現(xiàn)代物理學(xué)中最具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題之一。1911年，荷蘭科學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯首次在絕對(duì)溫度4.2K（開(kāi)爾文）以下發(fā)現(xiàn)汞的零電阻現(xiàn)象。1933年，德國(guó)科學(xué)家瓦爾特·邁斯納發(fā)現(xiàn)錫和鉛在進(jìn)入超導(dǎo)時(shí)外加磁場(chǎng)被完全排除在體外。1957年，美國(guó)科學(xué)家約翰·巴丁、利昂·庫(kù)珀和羅伯特·施里弗提出了電聲子耦合的超導(dǎo)微觀(guān)理論。超導(dǎo)材料由于其獨(dú)特性質(zhì)在能源、醫(yī)療、信息、精密測(cè)量等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用，但大多數(shù)簡(jiǎn)單金屬或合金材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都在40K以下，限制了超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用。
1986年，瑞士科學(xué)家繆勒和柏諾茲率先發(fā)現(xiàn)一種在35K超導(dǎo)的銅氧化物，后經(jīng)包括中國(guó)在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家的努力將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到了77K以上，進(jìn)入液氮溫區(qū)，為超導(dǎo)材料的應(yīng)用提供了巨大潛力。2008年，日本科學(xué)家細(xì)野秀雄又在一種鐵砷基材料中發(fā)現(xiàn)了26K以下的超導(dǎo)現(xiàn)象。很快，中國(guó)科學(xué)家將超導(dǎo)溫度提高到40K以上，最高達(dá)到55K。我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體研究中作出了重要貢獻(xiàn)，分別在1990年和2013年兩次獲得國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，其中一人獲得2016年國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。近幾年，人們?cè)谝恍└粴浠衔镏邪l(fā)現(xiàn)在極端高壓的條件下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以超過(guò)200K，但普遍認(rèn)為富氫化合物中的高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變?nèi)匀环铣Ｒ?guī)的電聲子耦合機(jī)制。經(jīng)過(guò)37年的研究，目前銅氧化物超導(dǎo)體仍然是唯一的轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)材料。然而，銅氧化物高溫超導(dǎo)機(jī)理卻無(wú)法用電聲子耦合機(jī)制理解，成為近40年來(lái)物理學(xué)中最重要的科學(xué)問(wèn)題之一，人們也一直在尋找其它具有較高轉(zhuǎn)變溫度的非常規(guī)超導(dǎo)材料。
在銅氧化物超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)之初，研究人員就開(kāi)始在與銅相近的鎳氧化物中尋找高溫超導(dǎo)電性。直到2019年，美國(guó)斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了在摻鍶的釹鎳氧112（Nd0.8Sr0.2NiO2）薄膜樣品中觀(guān)測(cè)到了15K左右的超導(dǎo)電性。該薄膜材料中，鎳離子接近正1價(jià)，其電子排布與正2價(jià)銅離子相近。人們認(rèn)為其超導(dǎo)機(jī)理可能與銅氧化物相似，但到目前為止，該材料的超導(dǎo)電性?xún)H在薄膜樣品中被發(fā)現(xiàn)，且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度均在20K以下。張廣銘教授與合作者率先依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在理論上提出了母體自摻雜的物理圖像和莫特-近藤（Mott-Kondo）基本物理模型，研究成果在2020年初發(fā)表在美國(guó)物理期刊《物理評(píng)論B》（Physical Review B 101, R020501），并成為2020年基本科學(xué)指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)（ESI）高被引和熱點(diǎn)研究論文。
中山大學(xué)王猛教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與張廣銘教授深度合作，獨(dú)辟蹊徑，將研究重點(diǎn)聚焦在具有327結(jié)構(gòu)的鑭鎳氧化物體系。其中鎳離子的平均價(jià)態(tài)為2.5價(jià)，遠(yuǎn)離人們此前認(rèn)為容易出現(xiàn)超導(dǎo)電性的正1價(jià)。通過(guò)對(duì)該單晶樣品開(kāi)展百萬(wàn)大氣壓下的電輸運(yùn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在80K左右有明顯的電阻下降。通過(guò)改變傳壓介質(zhì)、改進(jìn)高壓測(cè)試方法，在電阻上看到顯著的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變證據(jù)(見(jiàn)下圖)。實(shí)驗(yàn)中低溫仍然存在剩余電阻，可能與傳壓介質(zhì)導(dǎo)致的應(yīng)力不均勻有關(guān)。之后，實(shí)驗(yàn)組在25.2GPa壓力下進(jìn)行了磁化率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明樣品在77K以下明顯出現(xiàn)抗磁性。由此，在實(shí)驗(yàn)上證明了鑭鎳氧327單晶樣品在超過(guò)14GPa的壓力下出現(xiàn)了80K的高溫超導(dǎo)電性。此外，高壓同步輻射實(shí)驗(yàn)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，顯示在12GPa壓力左右樣品發(fā)生結(jié)構(gòu)相變。結(jié)合對(duì)不同結(jié)構(gòu)熱力學(xué)焓的計(jì)算，確認(rèn)鑭鎳氧327在壓力下單晶樣品結(jié)構(gòu)的空間群發(fā)生了轉(zhuǎn)變，相應(yīng)c-軸方向鎳-氧-鎳鍵角由168°轉(zhuǎn)變?yōu)?80°。
La3Ni2O7單晶樣品高壓下的電阻、抗磁性及超導(dǎo)上臨界磁場(chǎng)的擬合
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用密度泛函理論，對(duì)結(jié)構(gòu)相變前后的電子能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在低壓下鎳離子的dx2-y2軌道電子穿過(guò)費(fèi)米面，dz2軌道電子在c-軸方向鎳-氧-鎳形成了成鍵態(tài)和反鍵態(tài)，導(dǎo)致兩個(gè)鎳離子的dz2能級(jí)劈裂，分別為滿(mǎn)占據(jù)態(tài)和空占據(jù)態(tài)。在高壓下，dz2成鍵態(tài)電子上移，接觸費(fèi)米面，發(fā)生σ-鍵金屬化，對(duì)應(yīng)超導(dǎo)電性的出現(xiàn)。鑭鎳氧327獨(dú)特的雙層鎳氧面晶體結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致了其獨(dú)特的電子占據(jù)方式，使成鍵態(tài)dz2軌道電子具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，而dx2-y2軌道電子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度相對(duì)較弱。
液氮溫區(qū)鎳基氧化物超導(dǎo)體具有完全不同于銅氧高溫超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)結(jié)構(gòu)，超出此前理論預(yù)期，此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將有助于破解高溫超導(dǎo)的微觀(guān)機(jī)理，使高溫超導(dǎo)材料設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)成為可能，并在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料的巨大應(yīng)用。國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）雜志審稿人一致認(rèn)為此項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)是一項(xiàng)突破性進(jìn)展，是第二個(gè)進(jìn)入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)材料，是一個(gè)“從0到1”的科學(xué)突破。
7月12日，研究成果以“高壓下鎳氧化物80K超導(dǎo)特征”（Signatures of superconductivity near 80 K in anickelateunder high pressure）為題在《自然》上在線(xiàn)發(fā)表。清華大學(xué)張廣銘教授和中山大學(xué)王猛教授為論文共同通訊作者，合作單位還包括中國(guó)科學(xué)院物理研究所、華南理工大學(xué)和美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06408-7
供稿：物理系
編輯：李萍
審核：段穎
