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近日,中國科學技術大學陳仙輝研究團隊等,在混合型Ruddlesden–Popper結構鎳酸鹽La5Ni3O11單晶中發現高壓誘導的高溫超導電性。這一新結構超導體拓展了鎳基高溫超導體材料家族,為高溫超導機理研究提供了新的材料體系。
前期,科研團隊對Ruddlesden–Popper結構的鎳酸鹽開展研究。科研團隊在常壓下合成具有四方結構的La4Ni3O10和La3Ni2O7,并進行壓力下的輸運測量。結果表明,高壓下的超導電性與常壓下的密度波轉變,存在重要關聯。四方結構的La4Ni3O10和La3Ni2O7在常壓下沒有密度波轉變,在高壓下也沒有表現出超導電性。在常壓下,具有密度波轉變的正交結構La4Ni3O10和La3Ni2O7,在高壓下展現出超導電性。這表明,密度波轉變而非結構相變,是鎳基材料在壓力下出現超導電性的先決條件,為鎳基超導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,其結構由La3Ni2O7和La2NiO4層交替堆疊而成,常壓下表現密度波轉變,轉變溫度在170 K左右。該團隊通過系統的高壓電輸運研究發現,隨著壓力逐步增加,常壓下的密度波轉變溫度呈現逐漸升高的行為,同時基本不受壓力誘導的正交-四方結構相變的影響。在壓力升高到約12 GPa時,密度波相變突然消失,并伴隨著超導電性的出現,表明壓力誘導一個密度波相與超導相的一級相變。當壓力升高至約21 GPa時,該體系展現出最佳的超導轉變,其零電阻超導轉變溫度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,超導體積分數達70%,表明其超導電性為體超導。 繼La3Ni2O7和La4Ni3O10后,混合Ruddlesden–Popper結構高壓下超導的發現,為鎳基高溫超導體家族增添了新成員,證明雙層鈣鈦礦結構(RNiO3)2是重要的高溫超導結構單元,為探討鎳基材料中的高溫超導機理提供了新的材料體系。 9月5日,相關研究成果在線發表在《自然-物理學》(Nature Physics)上。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院等的支持。
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