中国科学家发现新型高温超导体，赵俊教授团队发现新型高温超导体，为超导机理研究提供新视角

赵俊教授团队利用高压​​光浮区技术成功生长了三层氧化镍La4Ni3O10高质量单晶样品，证实了氧化镍中压力诱导的块体超导性，其超导体积分数达到86%，这意味着又发现了一类新型高温超导体。研究还发现该类材料表现出奇异的金属性和独特的层间耦合行为，为人们理解高温超导机制提供了新的视角和平台。

赵俊（前排左三）与研究团队成员合影（图片来源：复旦大学官方微信公众号）

超导体是指在某一转变温度以下，电阻为零、完全抗磁性的材料。可广泛应用于电力传输和储能、医学成像、磁悬浮列车、量子计算等领域，具有重要的科学研究和技术应用价值。迄今为止，已有10位科学家因超导研究获得诺贝尔奖。

1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次发现汞（Hg）的超导性。当他将汞冷却至约4K（K = -269.15°C）时，汞的电阻突​​然消失并变为零。此后很长一段时间，科学家认为只有汞、铅、铝等常规金属和简单合金才能在极低温度下表现出超导性。

直到1986年，约翰内斯·格奥尔格·贝德诺茨和卡尔·亚历山大·穆勒才在镧钡铜氧化物（La-Ba-Cu-O）中发现高温超导，临界温度高达30K。后来，包括中国科学家在内的许多国家的科学家把超导临界温度提高到液氮温度范围（77K），甚至超过了130K。

高温超导的发现打破了人们对于超导只能在极低温度下存在的认知。多年来，世界各地的科学家对高温超导现象进行了各种形式的深入研究，但经过近四十年的努力，其形成机制仍然是一个未解之谜。

高温超导研究的一个重要课题就是寻找新的高温超导体，一方面人们希望从新的角度找到理解高温超导机制的线索，另一方面新的材料体系也可能提供新的应用前景。

镍在元素周期表中排在铜之后，氧化镍被认为是实现高温超导的重要候选材料之一。然而人们经过几十年的研究发现，在氧化镍中实现超导的条件十分苛刻。

2019年，报道了具有无限层NiO2表面的Nd0.8Sr0.2NiO2体系具有超导性，转变温度约为5-15K。但该类体系的超导性只能存在于薄膜样品中，块体材料无法实现超导。

2023年，中国科学家在具有双层NiO2表面结构的氧化镍La3Ni2O7中发现压力诱导高温超导，超导临界温度达到80K，进一步将氧化镍的超导转变温度提高到液氮温度范围。但该材料的超导体积分数低，易呈现丝状超导，难以形成块体超导。因此，寻找新的超导体系，提高超导体积分数，实现块体超导十分重要。

此次在《Nature》发表的研究成果中，赵俊团队成功合成了高质量三层氧化镍La4Ni3O10单晶样品，该样品在超导临界温度以下呈现零电阻和完全反磁性的迈斯纳效应，超导体积分数达到86%，有力证明了氧化镍的块体超导性能。

“这一超导体积分数已接近氧化铜高温超导体的超导体积分数，这无疑证实了氧化镍的体相超导性。”赵军说。

赵俊于2012年在美国加州大学伯克利分校完成博士后研究后加入复旦大学物理系，主要研究高温超导体、量子磁性材料等关联电子系统中的中子散射，并致力于大尺度、高质量单晶样品的生长及其热力学和输运性质的测量。

“高温超导研究的突破大多由实验推动，特别是新型超导体的发现，到目前为止，还有很多现象还不能用现有的理论完全解释。”赵俊介绍，“氧化镍单晶样品的生长条件非常苛刻，需要在特定的高氧压环境下维持高温、陡峭的温度梯度，才能实现单晶样品的稳定生长。由于相形成的氧压窗口很小，容易出现多种组分共存的氧化镍层，生长过程中极易出现顶氧位置的大量缺陷，这可能是氧化镍超导含量低的原因。”

团队利用高压​​光浮区技术生长了大量样品，不断寻找和总结规律，经过多次失败后终于成功合成了纯相三层La4Ni3O10氧化镍单晶样品。此外，团队进行了一系列中子衍射和X射线衍射测量，准确确定了材料的晶格结构和氧原子坐标及含量，发现几乎没有顶点氧缺陷。

（a）La4Ni3O10-δ单晶样品照片；（b）中子和X射线单晶衍射数据；（c）压力下晶格结构的演变

基于优质单晶样品，该团队与合作者利用金刚石压砧技术，发现了La4Ni3O10的压力诱导超导零电阻现象，在69GPa压强下，超导临界温度达到30K。根据抗磁数据，单晶样品的超导体积分数高达86%，证实了氧化镍的块体超导性能。

La4Ni3O10-δ单晶样品电阻与磁化率测量结果（图片来源：复旦大学官方微信公众号）

与具有相同化学环境的无限层和双层氧化镍NiO2表面不同，三层结构形成的独特三明治结构赋予了外层和中层NiO2表面不同的化学环境，可以在内外层NiO2表面产生不同的磁结构、电子关联强度、电荷浓度，甚至超导配对强度，为超导的调控提供了更多的可能性。这种结构也为理解层间耦合和电荷转移在高温超导形成中的作用提供了独特的平台。

此外，三层氧化镍比无限层和双层体系具有更强的反铁磁序，这为理解自旋关联和自旋涨落之间的关系以及氧化镍的高温超导机制提供了良好的机会，而自旋涨落被普遍认为在氧化铜超导配对中起着关键作用。

研究结果还精细地刻画了压力条件下La4Ni3O10体系的超导相图，并明确了相图中电荷密度波/自旋密度波、超导、奇异金属行为及晶体结构相变之间的关系。结果表明氧化镍超导可能具有与氧化铜超导不同的层间耦合机制，为氧化镍超导机制提供了重要见解，也为探索自旋序-电荷序、平带结构、层间关联、奇异金属行为及高温超导之间的复杂相互作用提供了重要的材料平台。

下一步，赵军团队将继续聚焦高温超导领域的重大问题，探索不同体系高温超导体的内在联系与机制，认识和发现更高性能的高温超导体。