近日，山東大學(xué)晶體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張俊杰教授/陶緒堂教授團(tuán)隊(duì)牽頭，聯(lián)合北京高壓研究中心曾橋石研究員、中國科學(xué)院物理研究所周睿研究員、國家納米科學(xué)中心鄭強(qiáng)研究員、芝加哥大學(xué)陳愈生教授等多個團(tuán)隊(duì)，在鎳基高溫超導(dǎo)體研究中取得重大突破，相關(guān)團(tuán)隊(duì)以“Bulk superconductivity up to 96 K in pressurized nickelate single crystals”為題，在線發(fā)表于國際頂級期刊《自然》（Nature）上。

論文第一作者為山東大學(xué)晶體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2023級博士研究生李飛宇（共一第一）和北京高壓研究中心博士研究生邢貞芳（共一第二），通訊作者為山東大學(xué)張俊杰教授、陶緒堂教授，北京高壓研究中心曾橋石研究員、彭帝博士，山東大學(xué)晶體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一通訊單位。

鎳基超導(dǎo)的兩大關(guān)鍵問題

高溫超導(dǎo)材料因零電阻和完全抗磁性，在能源、信息、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但高溫超導(dǎo)機(jī)理仍是未解之謎，被國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）列為“人類125個未解決的關(guān)鍵科學(xué)問題”之一。

鎳基氧化物是近年來新興的高溫超導(dǎo)體系，其研究仍面臨兩大挑戰(zhàn)：一是體塊單晶依賴高壓制備，且易于出現(xiàn)化學(xué)組分不均勻、氧空位以及單層-三層雜化Ruddlesden-Popper相共存等問題；二是最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）僅83K，遠(yuǎn)低于銅基超導(dǎo)體的164K。

重大突破解決領(lǐng)域難題

1.突破高壓制備技術(shù)：常壓助熔劑法攻克單晶生長瓶頸

針對傳統(tǒng)“高壓浮區(qū)法”需10-15個大氣壓氧壓、單晶質(zhì)量不高的問題，團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)常壓助熔劑法——以K2CO3為助熔劑，在常壓下成功生長了系列雙層鎳氧化物單晶，測試表明單晶具有良好的成分均勻性和高的晶體質(zhì)量，解決了鎳基超導(dǎo)高質(zhì)量單晶制備的“卡脖子”問題，為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了優(yōu)質(zhì)材料平臺。

2.應(yīng)用化學(xué)應(yīng)力策略刷新超導(dǎo)溫度紀(jì)錄

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)La2SmNi2O7單晶在21.6GPa下Tc高達(dá)92K，零電阻溫度73K，超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)超60%，明確證實(shí)該材料為體超導(dǎo)，同時(shí)打破了之前的鎳基超導(dǎo)溫度紀(jì)錄。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)該材料在單斜、四方兩種結(jié)構(gòu)下均能超導(dǎo)，為解決鎳基高溫超導(dǎo)機(jī)理問題提供重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)與物性關(guān)系，首次發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵規(guī)律：常壓下面內(nèi)晶格畸變Δ=(a-b)/(a+b) 與高壓下最高Tc呈正相關(guān)，即晶格畸變越大，超導(dǎo)溫度越高?；诖艘?guī)律，團(tuán)隊(duì)測試了La1.57Sm1.43Ni2O7-δ單晶，發(fā)現(xiàn)其高壓下Tc高達(dá)96K（約–177 ℃），創(chuàng)造了全球最高鎳基超導(dǎo)溫度紀(jì)錄。

該成果的核心價(jià)值在于團(tuán)隊(duì)的原創(chuàng)貢獻(xiàn)：“常壓助熔劑法”打破高壓依賴，提供了低成本、易推廣的單晶制備方案；“晶格畸變-Tc”規(guī)律創(chuàng)造鎳基高溫超導(dǎo)新紀(jì)錄，為設(shè)計(jì)與合成更高Tc的鎳基高溫超導(dǎo)材料提供了一種有效解決思路。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步預(yù)測，晶格畸變更大的La0.87Nd2.13Ni2O7-δ單晶高壓下最高Tc有望突破100K。

該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家高層次青年人才計(jì)劃、山東省泰山學(xué)者計(jì)劃、山東大學(xué)晶體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市極端環(huán)境新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市科學(xué)技術(shù)委員會等支持。本工作使用了綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的高場核磁共振實(shí)驗(yàn)站，上海光源的BL17UM線站以及Spring-8的BL10XU線站。

來源：山東大學(xué)