北京时间2024年6月6日,Nature Physics在线发表了皇冠手机登录地址hg/关联物质研究中心袁辉球团队在镍氧化物高温超导方面的最新研究成果。他们利用最新发展的金刚石对顶砧准静水压技术,成功观测到了La3Ni2O7
1911 年, H. K. Onnes在测量汞的电阻时发现其阻值在4.2 K以下突然消失,由此开启了超导研究的序幕。1933年, W. Meissner和他的学生R. Ochsenfeld发现超导体内的磁感应强度为零,具有完全抗磁性,该现象又被称为迈斯纳效应。因此,零电阻和完全抗磁性成为判定超导是否存在的两个关键实验证据。
1957 年,J. Bardeen、L. Cooper和J. R. Schrieffer提出了基于电声子耦合的BCS超导理论,完美解释了当时已知超导材料的超导电性,后来人们把这类超导体称为常规BCS超导体。1979年,Frank Steglich(现任皇冠关联物质研究中心主任)首次在CeCu2Si2
镍基超导的发现
图1:RP相系列化合物的晶体结构及超导相变。
镍酸盐与铜氧化物高温超导体具有相似的晶体结构,因此也被认为是一类潜在的高温超导材料。然而,合成具有合适电子结构的高品质镍酸盐材料非常具有挑战性。早在1957年, LaNiO3和La2NiO4已成功合成,属于Ruddlesden-Popper (RP) 相系列化合物。RP相化合物由LnNiO3的钙钛矿层和LnO层交替组成,化学通式为Lnn+1NinO3n+1(图1左下),其中Ln代表稀土元素, n代表每个结构单元中NiO6八面体的层数。通过增加n值,镍的价态会从+2 (n = 1) 逐渐变化到+3 (n = ∞)。此外,通过软化学氢化方法去除NiO6八面体的顶点氧原子,可以得到还原的RP相,其化学通式为Lnn+1NinO2n+2(图1左上)。随着层数n的增加,Ni3dx2-y2
直到2019年,斯坦福大学H. Y. Hwang研究组通过去除Sr掺杂的NdNiO3薄膜中的顶点氧得到Nd0.8Sr0.2NiO2
高压技术的发展助力超导零电阻的发现
袁辉球教授团队长期从事高压、强磁场、低温等极端条件下的物性研究,近些年一直在发展金刚石对顶砧准静水压技术以及相应的物性测量方法,力争将低压常用的活塞-圆筒压力技术以及测量方法推广至金刚石对顶砧压力包。到目前为止,团队已经取得了很好的进展,成功开发了高于50GPa的准静水压测量技术,并应用于强关联电子体系与超导研究。
图2:高压测量装置(左图)以及高温超导零电阻现象。
袁辉球教授分析认为,La3Ni2O7
得益于上述实验技术的突破,研究团队很快就在La3Ni2O7
图3:不同压力下的电阻曲线(左图)以及压力-温度相图(右图)。
高压下电子态的演化
在该项工作中,研究团队还修正了先前报道的压力-温度相图,指出La3Ni2O7
这些实验结果不但清楚地确认了镍氧化物高温超导,增强了人们研究镍基高温超导的信心,同时还为发展相应的超导理论模型提供了重要的实验数据。2023年7月,袁辉球教授在北京怀柔综合极端条件实验装置首次报道了这一实验发现,当即引起了广泛关注。国内有同行曾公开表示,他们是看到了袁辉球团队的零电阻实验数据后才确信镍氧化物高温超导的存在,并着手开展相关研究。
研究团队部分成员照片
该项目获得了国家重点研发项目、国家自然科学基金委和浙江省重点研发项目的资助。该项研究的主要实验测量都在皇冠完成,中山大学王猛课题组提供了La3Ni2O7
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https://www.nature.com/articles/s41567-024-02515-y