镍氧化物！中国科学家点燃高温超导新希望！

光子盒研究院

7月12日，《自然》杂志重磅发布了来自中国科学家的成果：发现镍氧化物中压力诱导的80 K左右超导电性。

“Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure”。这项研究工作由中山大学物理学院的王猛教授领导完成。中山大学物理学院的孙华蕾副研究员和霍梦五博士研究生是论文的共同第一作者，王猛教授和清华大学的张广铭教授是共同通讯作者。在实验方面，王猛教授团队得到了华南理工大学的唐玲云和毛忠泉，中国科学院物理研究所的程金光团队，以及美国亚利桑那州立大学的博士生韩艺丰的支持。在理论方面，中山大学的姚道新教授和博士研究生胡训武进行了基于密度泛函理论的材料结构和能带计算，清华大学的张广铭教授提出了一个理解实验和计算结果的物理图像。
这是全球范围内，中国科学家首次发现的液氮温区非常规超导材料，代表着基础研究领域的一次突破。
时隔36年，科学家们终于在继铜氧化物之后，发现了第二类突破液氮温度（77 K）的非常规超导家族，为高温超导机理和应用研究点燃了新希望！

超导（超级导电）材料因其绝对零电阻、完全抗磁性和宏观量子隧穿效应的特殊性质而备受关注，具有重要的科学和应用价值。自超导现象被发现以来，已经涌现出5个与之相关的诺贝尔奖。
几十年来，一系列晶体因其在比其他材料高得多的温度下具有令人困惑的超导能力（即在没有任何电阻的情况下传输电流）而困扰着物理学家。
超导体（如图所示的铜酸盐材料）可以驱逐磁场，使磁铁漂浮在其上方。
自1911年首次观测到超导现象以来，物理学家们一直在努力研究它。
荷兰科学家Heike Kamerlingh Onnes及其合作者将一根水银导线冷却至约4开尔文（即绝对零度以上4度），并惊讶地发现电阻骤降至零。电子巧妙地穿过水银丝，在与水银丝原子碰撞时不会产生热量——这就是电阻的起源。
以20世纪50年代中期的关键实验见解为基础，John Bardeen、Leon Cooper和John Robert Schrieffer于1957年发表了关于这种传统形式超导的诺贝尔获奖理论——BCS理论。如今人们所熟知的“BCS理论”认为，原子行间的振动将电子“粘”在一起。当一个带负电荷的电子在原子间飞行时，它会把带正电荷的原子核吸引过来，并产生涟漪。该涟漪吸引了第二个电子。两个电子克服了强烈的电排斥力，形成了“库珀对”。
当电子耦合时，进一步的量子性质使得超导不可避免。通常情况下，电子不能重叠，但库珀对遵循不同的量子力学规则：它们就像光粒子，任何数量的光粒子都可以堆积到“针尖”上。许多库珀对聚集在一起，合并成一个单一的量子力学状态，即“超流体”，它可以对其间穿过的原子视而不见。

BCS理论还解释了为什么汞和大多数其他金属元素在冷却到接近绝对零度时会超导，但在超过几开尔文时就会停止超导。原子涟漪(atomic ripples)是最微弱的粘合剂；如果温度升高，原子就会抖动，晶格振动就会被冲掉。
1986年，IBM研究人员Georg Bednorz和Alex Müller偶然发现了铜氧化物中一种更强的电子“胶水”：由铜和氧组成的晶体穿插在其他元素层之间。在他们观察到一种铜氧化物在30开尔文时超导之后，研究人员很快又发现其他铜氧化物在100开尔文以上超导，然后又在130开尔文以上超导。
铜氧化物的超导转变温度可以超过液氮沸点77 K，极大降低了制冷成本。这一突破引发了广泛的努力，以探索这种高温超导性的更多可能。
2008年，日本细野秀雄小组首先报道了在LaFeAsO体系（一种铁基材料）中发现了温度26K下的超导现象。这则报道刚一出来就引起了中国科学家的重视，认为铁基超导是一个重大的突破。很快，中国科学家就把超导临界温度提高到43K、52K、55K，而且发现了一些新的铁基超导体。

各类超导体（SC）及其超导转变温度Tc的不完整列表

铁基超导是连接铜基高温超导和常规超导的桥梁

铁基超导体的块材最高超导转变温度为55 K，但至今尚未能突破液氮温区。经过37年的研究，铜氧化物超导体仍然是目前唯一的超导转变温度突破液氮温区的非常规超导材料。

而这一次，中国科学家首次在液氮温区发现了镍氧化物超导体，开辟了全新的超导研究领域，将引领超导研究的方向。
自2020年初开始，中山大学物理学院王猛教授团队就开始通过高压浮区法生长镍氧化物单晶样品，在镍氧化物体材料中探索超导电性。
镍氧化物具有214（如La₂NiO₄）、327（La₃Ni₂O₇）、4310（La₄Ni₃O₁₀）、113（LaNiO₃）等多个结构体系，其中具有+2价镍离子的214体系最稳定且容易生长，而镍价态最高的113体系（镍的价态为+3价）需要最高的氧气压力。

王猛教授展示镍氧化物La₃Ni₂O₇单晶

此次实验研究的La₃Ni₂O₇体系单晶样品中，Ni的平均价态为2.5价，生长氧压范围窄、难以生长高质量单晶样品。
两年多的时间里，研究团队一直在摸索其生长条件；终于，在国际上率先报道了该单晶样品的生长和物理性质，发现其中可能存在电荷密度波序的实验证据。
具体而言，研究人员通过高压电阻和互感磁化率测量观察了La₃Ni₂O₇单晶的超导特征，最大Tc为80K，压力在14.0−43.5 GPa之间。高压下的超导相呈现出Fmmm空间群的斜方结构，其中Ni阳离子的3dx2−y2和3dz2轨道与氧2p轨道强烈混合。密度泛函理论计算表明，超导性的出现与费米能级下σ键带的金属化同时发生，该带由3dz2轨道和连接Ni-O双层的顶氧组成。因此，该发现不仅揭示了Ruddlesden-Popper双层钙钛矿镍盐中高温超导性的重要线索，而且还提供了一个新的化合物家族来研究高温超导机制。

加压La₃Ni₂O₇的结构表征。

1.6和29.5GPa下La₃Ni₂O₇的密度泛函理论计算。

压力下La₃Ni₂O₇单晶的超导转变。

La₃Ni₂O₇单晶高温超导相图。

早在2017年，中国科学院院士、中科院物理所研究员赵忠贤就曾公开演讲表示，“过去，超导研究是一个充满发现与挑战的领域，现在仍然是。”
超导体实际已经在为人类服务，如医用的MRI核磁成像设备的磁体，信息技术等现代科技领域中的重要基础之一的电压基准，都是超导的。
1962年，商业超导NbTi线、超导磁体的出现及约瑟夫森预言并很快被证实的超导隧道效应，标志着超导进入应用时代。
现今，超导技术应用涉及的领域有很多，例如信息技术、生物医学、科学仪器、电力、交通运输等领域，可以概括为能源、信息和健康3个方面。

超导材料的一些典型应用
目前在超导领域，人们对高温超导机理的理解还不够。另外，仍然不断有新现象涌现，而对于很多新发现，利用现在的物理理论难以得到令人满意的解释。探索更适于应用或更高临界温度的超导材料依然是人们面临的挑战。
“液氮的制备成本比矿泉水还低，超过液氮温度也意味着超导材料需要的低温环境更容易获得，因而也具有更大的应用潜力。”
王猛团队也将持续在这一领域发力，接下来还将对铜氧化物和镍氧化物高温超导体的共性开展研究，进一步推动高温超导机理的解决。“一旦明确机理，便可以借助人工智能等技术设计新的高温超导材料，有望使零损耗的超导输电、更为轻便的核磁共振成像仪等成为现实”。
参考链接：[1]https://www.quantamagazine.org/high-temperature-superconductivity-understood-at-last-20220921/[2]https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1911/1911.02303.pdf[3]https://mp.weixin.qq.com/s/inRK9Fpd5JAnxFvRYsXWFw[4]https://mp.weixin.qq.com/s/VFQyRj6Xc3_jYPlBgsFElA[5]https://mp.weixin.qq.com/s/YtQM9_apoREbVIKhq_MB9g[6]https://news.southcn.com/node_54a44f01a2/f2ffe0da4d.shtml

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