中山大学团队发现镍基高温超导体，有望推动破解高温超导机理|单晶|电阻|金属-欧洲杯足彩官网

自荷兰物理学家海克·昂内斯（heike onnes）于 1911 年发现汞的超导性以来，超导材料因其具备零电阻和完全抗磁性等独特的物理特性，一直以来广受关注。百年间，不少科学家都试图合成高温超导材料，并解释超导现象。

1957 年，三位美国物理学家约翰·巴丁（john bardeen）、利昂·n·库珀（leon n. cooper） 和约翰·罗伯特·施里弗（john robert schrieffer）三人发表论文，首次从微观上揭开了超导电性的秘密。该理论以三人名字的首字母命名，称之为 bcs 理论，凭借此他们三人被授予 1972 年诺贝尔物理学奖。

bcs 理论建立 7 年后，第一个氧化物超导体钛酸锶也被发现，尽管钛酸锶的超导临界温度仅有 0.35k，但它的意义非常重大，这是第一个有别于传统金属或合金的超导体材料。钛酸锶和大部分陶瓷材料一样，一般情况下都是绝缘体，仅有在掺杂金属之后才能导电，很难想象这类材料也能实现超导。

意外的发现也让科学家们开始思考——除了金属之外，超导材料是否还有别的选项？答案是肯定的。

随后，铋氧化物、钌氧化物等大量具有氧八面体或四面体结构的氧化物超导体材料被不断发现。尽管很多材料在低温下都能实现超导，但临界温度通常都低于 30k，这意味着超导的大规模应用依旧非常困难。

苏格兰物理学家威廉·约翰·麦克米兰（william john macquorn rankine）等人更是推断超导体的转变温度不会超过 40k，即约零下 233 摄氏度，这个温度也被称之为“麦克米兰极限”。一时间，超导材料的研究似乎陷入了瓶颈。

1986 年，来自 公司的工程师约翰内斯·格奥尔格·贝德诺尔茨（）和卡尔·亚历山大·米勒（karl alexander muller）发现了第一个铜氧化物超导体系，临界温度在 30k 附近，这比之前发现的超导材料的临界温度要高许多，世界各地超导领域的研究者们纷纷跟进，试图合成更高临界温度的铜氧化物超导材料。不久之后，两人共同获得 1987 年诺贝尔物理学奖。

当时科学家们最大的希望，就是寻找液氮温区的高温超导材料。液氮是一种很容易制备的工业原料，实现液氮温区的低温相比于更低的温度，成本上要低很多，这意味着超导材料的工业应用成为了可能。在包括中国科学家在内的众多国家科学家的努力下，铜氧化物超导体系的临界转变温度被提升至了 90k 以上。

然而，铜氧化物超导材料中的高温超导电性无法用电声子耦合机制来加以解释，因此这类材料也被划分为非常规超导材料，其机理成为近 40 年来物理学中最重要的前沿科学问题之一。人们也一直在寻找其他具有较高超导转变温度的非常规超导材料。

2008 年，临界温度超过 40k 的铁氧化物超导材料被发现，成为了第二类突破“麦克米兰极限”的高温超导材料家族，其块材最高超导转变温度为 55k，但至今尚未能突破液氮温区，这极大限制了它的应用前景。镍和铁属于同族元素，化学性质相似，因此镍氧化物也是研究者们的重点关注对象。

2019 年，美国斯坦福大学团队在 nd0.8sr0.2nio2 材料中实现了超导电性，临界温度约为 15k。在该薄膜材料中，镍离子接近 1 价，其电子排布与 2 价铜离子相近。所以研究人员认为其超导机理可能与铜氧化物超导材料相似。然而，该材料体系中超导电性的出现条件较为苛刻，目前人们仅在薄膜样品中发现 20k 以下的超导电性，在压力调控下也未能超过 40k。

直到 2023 年 7 月 12 日，中山大学物理学院教授团队在 nature 发表了题为《高压下镍氧化物在 80k 附近的超导性特征》（）的论文。

图 | 相关论文（来源：nature）

中山大学物理学院副研究员、博士研究生霍梦五是共同一作，中山大学教授和清华大学教授担任共同通讯作者。

该成果报道了一种镍氧化物单晶在 14gpa 压力下出现 80k 左右的超导电性，这是继 20 世纪 80 年代发现铜氧化物高温超导体之后，再次在氧化物材料中观测到液氮温区超导电性。

图 | la3ni2o7 高压下的超导电性与结构相图（来源：nature）

时间拨回 2020 年初，那时课题组开始通过高压浮区法生长镍氧化物单晶样品，并在镍氧化物体材料中探索超导电性。他们通过两年多的时间摸索出 la3ni2o7 体系单晶样品的生长条件，在国际上率先报道了单晶样品的生长和物理性质，发现其中可能存在电荷密度波序的实验证据。这种材料中 ni 的平均价态为 2.5 价，生长氧压范围窄，一般难以合成高质量单晶样品。

图 | la3ni2o7 单晶样品常压下的电阻、磁化率、比热及磁化强度随磁场变化关系。数据显示在 110k 和 153k 存在两个可能的相变温度（来源：nature）

研究中，他们对 la3ni2o7 单晶样品高压下的电学输运性质进行了探究。发现该材料电阻在 80k 左右有明显的下降，80k 以上存在线性电阻。通过改变传压介质、改进高压测试方法，在电阻测量中观察到超导转变的证据。以上电阻行为均与铜氧化物超导电性高度相似，基本确定存在超导电性的零电阻效应。

在 25.2gpa 压力下，磁化率在 77k 以下明显出现抗磁信号。由此可以证明 la3ni2o7 单晶样品在超过 14gpa 的压力下出现了 80k 左右的高温超导电性。

图 | la3ni2o7 单晶样品高压下的电阻、抗磁性及超导上临界磁场拟合（来源：nature）

图 | la3ni2o7 高压下的同步辐射测量及结构分析（来源：nature）

总体来讲，目前第二个进入液氮温区的非常规超导材料。镍氧化物高温超导电性的发现具有重要意义，这无疑会促进高温超导机理研究的发展，并推动人们发现新的具有更高临界温度的高温超导材料。

参考资料：

1.sun, h., huo, m., hu, x. et al. signatures of superconductivity near 80 k in a nickelate under high pressure. nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7

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