镍基高温超导体研究取得新突破

近日，中国科学院物理研究所综合极端条件实验装置(SECUF)的程金光团队和周睿团队联合国内外多个研究团队，在镍基高温超导体的研究中取得了重要进展。他们充分发挥SECUF独特实验测量技术的优势，在La2PrNi2O7多晶样品中同时提供了高压下实现块体高温超导电性的两个关键实验证据，即零电阻和完全抗磁性，澄清了目前La3Ni2O7中高温超导电性起源和体超导的争议问题，并揭示了微观结构无序对高温超导电性的不利影响。相关成果以“La2PrNi2O7高压四方相的块体高温超导电性”为题，于2024年10月2日发表在《自然》杂志上。高温超导体由于在变革性技术方面具有巨大的应用前景而备受关注，发现新的高温超导体系并揭示其物理机制是超导领域的研究前沿。去年，我国学者发现La3Ni2O7单晶在高压下具有Tc80K的高温超导电性的迹象，掀起了镍基高温超导的研究热潮。随后，我国学者在La3Ni2O7体系中成功观察到零电阻态，但关于其完全抗磁性的实验证据仍然缺乏。此外，实验研究显示La3Ni2O7单晶样品由于稳定生长的氧压范围很窄，容易出现化学组分不均匀、内顶角氧空位以及多种镍氧化物共存等问题。这造成目前关于La3Ni2O7中高温超导电性的起源以及能否实现体超导态（完全抗磁性）等核心科学问题仍存在争议，严重阻碍了镍基高温超导体的研究进程。针对上述关键科学问题，该团队调整思路将研究对象转向晶体质量更易控制的多晶样品，采用离子半径较小的Pr部分替代La成功抑制了La3Ni2O7中不同镍氧化物共生和内顶角氧空位等问题，制备了单相性良好的具有双镍氧层结构的La2PrNi2O7多晶样品，并在该样品中同时观测到零电阻（Tconset=82.5K,Tczero=60K）和完全抗磁性（超导屏蔽体积分数达到97%）。该研究结果表明镍基高温超导电性起源于双镍氧层钙钛矿相，并揭示微观结构无序对La3Ni2O7中高温超导电性的不利影响。这一工作对于镍基高温超导材料的进一步优化设计与合成具有重要指导作用，将推动镍基高温超导体的研究进程。在该项研究中，SECUF的A2-六面砧高压实验站和A6-强磁场核磁共振实验站发挥关键作用。其中，A2实验站提供的大腔体多砧高静水压物性测量技术，能在最大程度上保证压力的各向同性和均匀性，有效克服了镍基超导材料对非静水压环境异常敏感而无法实现零电阻的难题。A6实验站的核四极矩共振（NQR）测量技术，提供了一种定量确定样品中不同镍氧化物相比例以及界面等微观结构无序的方法。SECUF是国家“十二五”重大科技基础设施，已建成国际先进的集极低温、超高压、强磁场和超快光场等综合极端条件为一体的用户实验装置，可极大提升我国在物质科学及相关领域的基础研究与应用基础研究综合实力。SECUF（北京部分）于2017年开始动工，2023年初全面投入试运行，20个实验站对国内外用户开放。目前，SECUF提供的高压、低温和磁场等极端实验条件已助力用户在La3Ni2O7单晶和La4Ni3O10单晶中相继发现了高压诱导的高温超导电性，相关成果发表在《自然》杂志上（Nature621,493(2023)；Nature631,531(2024)）。未来，SECUF将继续为新型高温超导材料的探索与机理研究提供重要支持，期待更多重要成果的涌现。

图.综合极端条件实验装置的六面砧高压实验站和强磁场核磁共振实验站的实物照片，以及La2PrNi2O7多晶样品的高压结构演化和超导相图。