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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝研究團(tuán)隊(duì)等，在混合型Ruddlesden–Popper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。這一新結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體拓展了鎳基高溫超導(dǎo)體材料家族，為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了新的材料體系。

前期，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)Ruddlesden–Popper結(jié)構(gòu)的鎳酸鹽開展研究。科研團(tuán)隊(duì)在常壓下合成具有四方結(jié)構(gòu)的La₄Ni₃O₁₀和La₃Ni₂O₇，并進(jìn)行壓力下的輸運(yùn)測(cè)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，存在重要關(guān)聯(lián)。四方結(jié)構(gòu)的La₄Ni₃O₁₀和La₃Ni₂O₇在常壓下沒有密度波轉(zhuǎn)變，在高壓下也沒有表現(xiàn)出超導(dǎo)電性。在常壓下，具有密度波轉(zhuǎn)變的正交結(jié)構(gòu)La₄Ni₃O₁₀和La₃Ni₂O_7，在高壓下展現(xiàn)出超導(dǎo)電性。這表明，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)電性的先決條件，為鎳基超導(dǎo)機(jī)理的理解和理論研究提供了重要思路。

在上述研究的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)探討了更廣泛的Ruddlesden–Popper相鎳酸鹽材料。La₅Ni₃O₁₁是獨(dú)特的雜化鎳酸鹽，其結(jié)構(gòu)由La₃Ni₂O₇和La₂NiO₄層交替堆疊而成，常壓下表現(xiàn)密度波轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度在170 K左右。該團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)的高壓電輸運(yùn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著壓力逐步增加，常壓下的密度波轉(zhuǎn)變溫度呈現(xiàn)逐漸升高的行為，同時(shí)基本不受壓力誘導(dǎo)的正交-四方結(jié)構(gòu)相變的影響。在壓力升高到約12 GPa時(shí)，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)一個(gè)密度波相與超導(dǎo)相的一級(jí)相變。當(dāng)壓力升高至約21 GPa時(shí)，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(dá)到54 K。

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)通過高壓抗磁性測(cè)量，在最佳壓力附近觀察到邁斯納效應(yīng)，超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)達(dá)70%，表明其超導(dǎo)電性為體超導(dǎo)。

繼La₃Ni₂O₇和La₄Ni₃O₁₀后，混合Ruddlesden–Popper結(jié)構(gòu)高壓下超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，為鎳基高溫超導(dǎo)體家族增添了新成員，證明雙層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(RNiO₃)₂是重要的高溫超導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元，為探討鎳基材料中的高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新的材料體系。

9月5日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）上。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院等的支持。

論文鏈接

La₅Ni₃O₁₁的晶體結(jié)構(gòu)（a）和高壓相圖（b）