研究背景

铜酸盐作为第一代高温超导材料，其特征是CuO2层与电荷储存层交错。尽管对这些材料进行了广泛的研究，但高温超导的机制仍然未知。自大约40年前铜酸盐被发现以来，追求不依赖于氧化铜的新型高温超导体已成为科学界持续而激烈的探索焦点。这种探索不仅对理解超导机制具有重大意义，还可能带来新的应用前景。镍，位于元素周期表上铜的左侧，为设计和合成具有高温超导性的新型材料提供了丰富的化学和物理可能性。然而，尽管付出了巨大的努力，在镍酸盐中实现超导性仍然是一个艰巨的挑战。

研究成果

近日，复旦大学赵俊教授&中国科学院物理研究所郭建刚研究员&上海物理科学高级研究所曾桥石研究员合作报道了，通过施加压力，可以有效抑制三层镍酸盐La4Ni3O10-δ单晶中的自旋电荷序，导致在69.0GPa下出现最高临界温度（Tc）约为30K的超导性。直流磁化率测量证实，在Tc以下存在明显的抗磁响应，表明存在体积分数超过80%的体超导。观察到正常状态下一种奇怪的金属行为，即线性温度相关电阻高达300 K。此外，观察到的层相关超导性暗示了镍酸盐特有的层间耦合机制，与铜酸盐不同。这项研究为超导的基本机制提供了至关重要的见解，同时为探索自旋电荷序、平带结构、层间耦合、奇怪的金属行为和高温超导之间的复杂相互作用提供了一个全新的材料平台。相关研究工作以“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

图文速递

图1. La4Ni3O10-δ的压力相关晶格结构和相图

图2. La4Ni3O10-δ单晶在常压下的磁化率、电阻率和比热

图3. La4Ni3O10-δ单晶在不同压力下的温度相关电阻和直流磁化率

图4. La4Ni3O10-δ超导转变的磁场效应

结论与展望

这项研究提供了三层镍酸盐La4Ni3O10-δ单晶在压力下具有体超导性的证据。实验还显示了正常状态下奇怪的金属行为，电阻在高达300K时的线性温度相关性，这可能与费米能级附近的平坦dz2带引起的平面引起的增强自旋波动和强相关性有关。此外，镍酸盐中的层相关Tc与铜酸盐中Tc不同，表明镍酸盐具有独特的层间耦合和电荷转移机制。为了深入理解这些现象，需要进一步研究层间耦合在配对中的确切作用，特别是考虑到内层和外层NiO2层之间载流子浓度和磁性的差异，以及双层系统中不存在的两层外层NiO2之间的层间耦合。同时，dx2-y2轨道和配对对称性的全面研究对于完全理解这些相互作用至关重要。总之，这项发现建立了一个有前景的新材料平台，还为探索自旋电荷序、平带结构、层间耦合、奇怪的金属行为和高温超导之间的复杂相互作用提供了新的视角。这一研究途径在揭示新现象和推进对高温超导体的理解方面具有巨大的潜力。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07553-3