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时隔一个月，物理所80后副所长，再登Nature！

纳米人 · 公众号 · 科技自媒体物理 · 2024-10-05 08:12

正文

8月28日，浙江大学物理学院曹光旱研究组联合中国科学院物理研究所程金光、周睿等研究组携手在Nature期刊上发表了题为“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”的最新论文。

10月2日，中国科学院物理研究所程金光、周睿等研究组与东京大学Yoshiya Uwatoko合作，Nature期刊发表题为“Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonal La₂PrNi₂O₇”的论文。

物理所博士后王宁宁、博士生王罡、侯钧和东京大学物性研究所特任研究员沈晓玲（现为上海交通大学博士后）为论文共同一作，物理所程金光研究员、王宁宁博士、周睿研究员以及东京大学物性研究所Yoshiya Uwatoko教授为论文共同通讯作者。

程金光，1982年出生，2003年、2005年在哈尔滨工业大学物理系获理学学士、硕士学位。2010年在美国德克萨斯大学奥斯汀分校获博士学位，之后在本校继续进行两年博士后研究。2012年加入物理所。现任中国科学院物理研究所副所长、研究员、博士生导师。

周睿，2009年毕业武汉大学物理系，2014年物理所博士毕业。2014~2017法国科学院博士后。2018年1月入职中国科学院物理研究所，任中国科学院特聘研究员，博士生导师。

解决的科学问题和主要研究内容

1. 通过掺杂得到纯度更高的晶体，发现杂质相影响超导性质；

2. 研究2D钙钛矿相镍酸盐的高压超导性质，提高了镍酸盐材料的高温超导温度。

最近的工作中，研究人员发现Ruddlesden–Popper双层(n=2)镍酸盐钙钛矿相La₃Ni₂O₇的高压超导现象，在14GPa高压具有高温超导能力。之后，人们构筑了La₃Ni₂O₇的单晶和多晶样品，都能够在静态高压下呈现超导。但是，由于La₃Ni₂O₇的超导比例较低，因此目前还无法检测发现超导的另一个标志（抗磁性），现在最重要的任务是得到体相的高温超导，以及明确具有高温超导的晶体结构。

有鉴于此，中国科学院物理研究所联合东京大学研究团队，在Pr-掺杂La₂PrNi₂O₇多晶样品中发现块体高温超导。发现Pr掺杂能够避免形成其他R-P晶相，实现了接近纯相的双层结构。

研究发现，La₂PrNi₂O₇在≈11GPa能够导致正交晶相变为四方晶相，之后进一步增加压力逐渐出现了高温超导。测试发现，在18-20GPa的超导转变温度为T_onset=82.5K，T_zero=60K。在低于75K检测发现对应于体相高温超导的抗磁性信号，在大于15GPa发现显著的超导屏蔽体积分数（97%）。

La₃Ni₂O_7−δ的缺陷

图1. La₃₋_xPr_xNi₂O₇₋_δ (x= 0, 1)样品结构表征

通过中子粉末衍射（NPD, neutron powder diffraction）测试发现La₃Ni₂O_7−δ晶体沿着c轴存在短程层错缺陷（stacking fault），并且通过HAADF-STEM成像表征，发现327和4310和214晶相具有普遍的共生现象。作者认为这些共生的晶相能够影响La₃Ni₂O_7−δ的输运性质。

随后，通过对块体晶体的局部无序结构敏感的核四极矩共振（NQR，nuclear quadrupole resonance）表征技术研究晶体的局部无序现象。通过详细的表征发现La₃Ni₂O_7−δ样品中含有较多的327/4310界面和327/214界面，这种327/4310和327/214界面沿着c轴排列，因此通过XRD表征难以发现。因此，作者制备327纯相样品，发现Pr掺杂的La₂PrNi₂O_7−δ样品改善了晶相的纯度。

La₂PrNi₂O_7−δ样品晶相表征

通过溶胶-凝胶法制备了一系列La_3−xPr_xNi₂O_7−δ (0≤x≤1)多晶样品，比较La_3−xPr_xNi₂O_7−δ和La₃Ni₂O_7−δ的衍射峰，发现Pr掺杂导致(0010)峰（晶体Warren不对称特征峰）变得更强，说明样品的晶化度增强。随后进行晶体结构精修，并且发现Pr³⁺掺杂导致Ni-O-Ni键角度更小，产生更强的结构畸变，降低Ni-e_g和O-2p轨道重叠，这导致电阻增加。STEM表征结果显示Pr掺杂导致327/4310界面基本上消失，327/214界面数量减少。通过NQR表征验证了Pr掺杂的晶体中不含4310晶相。

因此，通过STEM和NQR表征和NPD精修结果明确说明，Pr掺杂的La₂PrNi₂O₇晶体具有更好的晶相纯度，而且基本上没有氧缺陷。

压力诱导结构变化

图2. La₂PrNi₂O₇在高压下的结构变化

使用同步辐射XRD测试压力在3.2GPa和56GPa区间内的晶相，发现压力低于10.3GPa，晶体结构为Amam结构，当压力达到11.1GPa，发现产生多个峰，在13.4°的(020)和(200)峰，23.1°的(135)和(315)峰，说明受到压力作用产生了对称性更高的结构。这个对称性更高的结构与I4/mmm Sr₃Ti₂O₇类似。这个高压晶相转变的过程与La₃Ni₂O₇高压产生Fmmm晶体的现象不同。

高温超导现象

图3.La₂PrNi₂O₇的高压高温超导

将La₂PrNi₂O₇样品放置于立方六面砧CAC（cubic anvil cell）中，测试静态高压下的电阻ρ(T)。在0GPa时样品表现为半导体性质，随着压力增加，在整个温度区间内，电阻ρ(T)都是逐渐单调减少，到5 GPa后随着温度变化电阻不再逐渐减少。当压力达到8GPa，发现当低于21.4K温度，ρ(T)显著降低。随着压力进一步增加，这种ρ(T)降低现象更加明显，这说明产生超导性。在压力为12GPa，ρ(T)能够在4.4K达到接近0的电阻（T_onset=66.4K）。当压力为15GPa，T_zero快速增加至40K，T_onset达到78.2K。

在两阶段的多腔体装置中测试更高压力的电阻（20GPa），发现≤15GPa样品的ρ(T)变化规律与上述测试相符，而且在压力≥16GPa发现样品表现金属性。La₂PrNi₂O₇样品在各种已知的镍酸盐超导材料中得到创纪录的超导温度（T_zero≈60K），比La₃Ni₂O_7−δ的超导温度高20K。测试结果说明消除327/4310界面有助于改善材料的超导性质。

块体超导性质

测试La₂PrNi₂O₇样品的磁化率，并且与FeSe单晶对比。发现FeSe在9GPa产生明显的超导抗磁性，与以往结果一致。测试发现La₂PrNi₂O₇样品在15GPa产生明显的抗磁性信号，而且发现La₂PrNi₂O₇的抗磁性信号在65K开始出现（15GPa），随着压力增加抗磁性信号增强。计算结果显示La₂PrNi₂O₇超导屏蔽体积比（f_sc）达到≈100%。测试结果验证La₂PrNi₂O₇具有体相高温超导。

T-P相图

图4. La₂PrNi₂O₇的T-P相图

测试La₂PrNi₂O₇的T-P相图，发现T_onset由21.4K（8GPa）增加至80.4K（20GPa），在19-20GPa，T_zero达到最大值（60K）。La₂PrNi₂O₇最好的超导性质为T_onset=82.5K和T_zero=60K，这个超导性质比La₃Ni₂O_7−δ更好。

测试结果说明，结构转变是双层镍酸盐产生超导的前体，通过层间的3d_z²轨道之间耦合作用增强高压下的超导性质。

参考文献及原文链接

Wang, N., Wang, G., Shen, X. et al. Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonal La₂PrNi₂O₇. Nature (2024).

DOI: 10.1038/s41586-024-07996-8

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07996-8

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