突破！复旦大学证实新型材料高温超导体，发文《Nature》

近日，复旦大学物理学系赵俊教授团队则利用高压光学浮区技术，成功生长了三层镍氧化物La4Ni3O10高质量单晶样品，并证实了这种材料在压力诱导下具有体超导电性（bulk superconductivity），其超导体积分数达到86%。

因其独特的物理性质和广泛的应用前景，数十年来超导体一直被科学界高度重视。

2023年，美国罗切斯特大学Dias团队和韩国量子能源研究所团队在室温超导体上的争议，证明了室温超导体仍处于探索阶段，面临着巨大的挑战和未知。但高温超导体最近几年的突破性的研究成果，让我们看到了该材料更具产业化应用前景。

其中，在新材料研究上，继2024年6月浙大袁辉球团队发现镍氧化物高温超导存在的关键实验证据之后，复旦大学物理学系赵俊教授团队最近在高温超导体研究领域也取得了重大突破，成功发现了一种新型镍氧化物高温超导体。7月17日晚，该团队研究成果以“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals”为题，发表于最新一期的《自然》杂志。

高温超导材料研发历史

高温超导材料的研发历史可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯（C. J. van Vechten）在研究低温下金属的电导率时，发现将汞冷却至-268.98°C时，其电阻突然消失，这一现象被称为“超导性”。此后，科学家们陆续发现了多种具有超导性的金属和合金，如铌、钛、钇、钡、铋和锶等。

1986年，德国科学家缪勒（Müller）和瑞士科学家柏诺兹（Bednorz）在IBM美国实验室首次发现了钡-镧-铜氧化物（Ba-La-Cu-O）体系的高温超导化合物，其超导转变温度达到了35K（约-233.15°C），这突破了传统的麦克米兰极限温度（40K）。这一发现引起了全球科学界的广泛关注，并开启了高温超导材料的研究热潮。

随后，中国科学家赵忠贤团队在1987年进一步突破了77K的温度瓶颈，成功合成了多种高临界温度的铜氧化物超导体，如YBCO和BSCCO等。这些材料的发现不仅推动了超导技术的应用，也大大降低了超导应用的成本。

进入21世纪后，随着研究的深入，科学家们不断探索新的高温超导材料。例如，铁基超导体于2008年被发现，其超导转变温度远高于铜氧化物超导体，成为新一代高温超导材料的重要代表。

自2010年以来，中国和外国科学家已经发现了许多新的超导材料。德国科学家发现石墨颗粒在室温下是超导的，这在一段时间内吸引了全世界的关注，但石墨颗粒如何转化为实际应用的问题仍未解决。

整体来看，高温超导体主要分为两大类——铜氧化物超导体和铁基超导体，将广泛应用于电力传输、储能、医学成像、磁悬浮列车、量子计算、信息通信、工业加工、无损耗输电等领域。

镍氧化物超导体受关注

最近几年来，业界出现了许多新型高温超导材料，如镍氧化物单晶在高压下表现出的80K超导电性，为高温超导材料的研究提供了新的方向。

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，首次在镍基材料中观测到临界温度为10-15 K的超导电性。无限层镍酸盐薄膜与铜氧化物具有同构结构，并且具有类似的电子组态，为高温机理研究提供了新的平台。

2023年，中山大学王猛研究组使用高压光学浮区炉成功合成了La3Ni2O7单晶样品，并在14 GPa观察到了接近80 K的超导迹象。这是继铜氧化物高温超导之后的另一类液氮温区氧化物高温超导材料，但其零电阻的缺失使得学界对其超导电性仍持怀疑态度。

今年6月，Nature Physics在线发表了浙江大学物理学院/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。该研究团队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超导体的零电阻，确认了其高温超导电性。

▲图1：高压测量装置（左图）以及高温超导零电阻现象。图源：浙江大学

此外，该研究工作还揭示了超导与奇异金属行为之间的内在联系，发现载流子浓度在经历压致结构相变进入超导相后大幅增加。这些实验结果为镍氧化物高温超导提供了关键的实验证据，奠定了研究基础。

而复旦大学物理学系赵俊教授团队则利用高压光学浮区技术，成功生长了三层镍氧化物La4Ni3O10高质量单晶样品，并证实了这种材料在压力诱导下具有体超导电性（bulk superconductivity），其超导体积分数达到86%。这一发现不仅展示了镍氧化物材料在高温超导领域的潜力，还为理解超导机制提供了新的视角。

证明镍氧化物体超导性质

研究高温超导的一个重要课题，就是寻找新型高温超导体。一方面，人们希望从新的角度寻找理解高温超导机理的线索，另一方面，新的材料体系也可能提供新的应用前景。

据悉，赵俊教授团队发现的新型高温超导体的具体化学成分是La4Ni3O10，即镍氧化物。该材料具有独特的“三明治”结构，由三层镍氧化物组成，其中外层和中间层NiO2面具有不同的化学环境。

该研究团队开展了一系列中子衍射和X射线衍射测量，精确测定了材料的晶格结构和氧原子坐标及含量，发现其中几乎没有顶点氧缺陷。这种结构使得样品在低于超导临界温度下表现出零电阻和完全抗磁的迈斯纳效应，超导体积分数达到86%，有力证明了镍氧化物的体超导性质。

▲La4Ni3O10-δ单晶样品的电阻和磁化率测量结果  图源：复旦大学

“这个超导体积分数与铜氧化物高温超导体接近，毫无疑问证实了镍氧化物的体超导电性。”赵俊表示。

通过这一过程，赵俊教授团队还精细刻画了La4Ni3O10体系在压力下的超导相图，阐明了电荷密度波/自旋密度波、超导、奇异金属行为和晶体结构相变在相图中的关系。结果表明镍氧化物超导可能与铜氧化物超导有着不同的层间耦合机制，为镍氧化物超导电性机理的研究提供了重要见解，并为探索自旋序-电荷序、平带结构、层间关联、奇异金属行为和高温超导电性之间的复杂相互作用提供了重要的材料平台。

下一步，该研究团队还将继续聚焦高温超导领域重大问题，探究不同体系高温超导体的内在联系和机理，理解和发现更高性能的高温超导体。