鎳基高溫超導(dǎo)體研究取得重要進展
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近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝研究團隊等,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)機理研究提供了新的材料體系。
前期,科研團隊對Ruddlesden–Popper結(jié)構(gòu)的鎳酸鹽開展研究。科研團隊在常壓下合成具有四方結(jié)構(gòu)的La4Ni3O10和La3Ni2O7,并進行壓力下的輸運測量。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La3Ni2O7,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,研究團隊探討了更廣泛的Ruddlesden–Popper相鎳酸鹽材料。La5Ni3O11是獨特的雜化鎳酸鹽,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。該團隊通過系統(tǒng)的高壓電輸運研究發(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,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)一個密度波相與超導(dǎo)相的一級相變。當(dāng)壓力升高至約21 GPa時,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達到54 K。
進一步,研究團隊通過高壓抗磁性測量,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、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院等的支持。

La5Ni3O11的晶體結(jié)構(gòu)(a)和高壓相圖(b)
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