清華大學物理系張廣銘教授與中山大學王猛教授領導的實驗研究團隊合作，首次在實驗上發(fā)現(xiàn)一種液氮溫區(qū)壓力下可實現(xiàn)超導的鎳氧化物——鑭鎳氧327（La3Ni2O7）。這是我國科學家在國際高溫超導研究領域做出的一項突破性科學發(fā)現(xiàn)，也是理論與實驗工作者深度合作產生的科學成就。 u!@(u!Qz  
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高溫超導研究是現(xiàn)代物理學中最具有挑戰(zhàn)性的科學問題之一。1911年，荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯首次在絕對溫度4.2K（開爾文）以下發(fā)現(xiàn)汞的零電阻現(xiàn)象。1933年，德國科學家瓦爾特·邁斯納發(fā)現(xiàn)錫和鉛在進入超導時外加磁場被完全排除在體外。1957年，美國科學家約翰·巴丁、利昂·庫珀和羅伯特·施里弗提出了電聲子耦合的超導微觀理論。超導材料由于其獨特性質在能源、醫(yī)療、信息、精密測量等領域有著十分重要的應用，但大多數(shù)簡單金屬或合金材料的超導轉變溫度都在40K以下，限制了超導材料的廣泛應用。  f2.|[  
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1986年，瑞士科學家繆勒和柏諾茲率先發(fā)現(xiàn)一種在35K超導的銅氧化物，后經包括中國在內的多國科學家的努力將超導轉變溫度提高到了77K以上，進入液氮溫區(qū)，為超導材料的應用提供了巨大潛力。2008年，日本科學家細野秀雄又在一種鐵砷基材料中發(fā)現(xiàn)了26K以下的超導現(xiàn)象。很快，中國科學家將超導溫度提高到40K以上，最高達到55K。我國科學家團隊在銅氧化物和鐵基超導體研究中作出了重要貢獻，分別在1990年和2013年兩次獲得國家自然科學一等獎，其中一人獲得2016年國家最高科學技術獎。近幾年，人們在一些富氫化合物中發(fā)現(xiàn)在極端高壓的條件下超導轉變溫度可以超過200K，但普遍認為富氫化合物中的高超導轉變仍然符合常規(guī)的電聲子耦合機制。經過37年的研究，目前銅氧化物超導體仍然是唯一的轉變溫度達到液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導材料。然而，銅氧化物高溫超導機理卻無法用電聲子耦合機制理解，成為近40年來物理學中最重要的科學問題之一，人們也一直在尋找其它具有較高轉變溫度的非常規(guī)超導材料。 [L`w nP  
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在銅氧化物超導電性發(fā)現(xiàn)之初，研究人員就開始在與銅相近的鎳氧化物中尋找高溫超導電性。直到2019年，美國斯坦福大學研究團隊報道了在摻鍶的釹鎳氧112（Nd0.8Sr0.2NiO2）薄膜樣品中觀測到了15K左右的超導電性。該薄膜材料中，鎳離子接近正1價，其電子排布與正2價銅離子相近。人們認為其超導機理可能與銅氧化物相似，但到目前為止，該材料的超導電性僅在薄膜樣品中被發(fā)現(xiàn)，且超導轉變溫度均在20K以下。張廣銘教授與合作者率先依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在理論上提出了母體自摻雜的物理圖像和莫特-近藤（Mott-Kondo）基本物理模型，研究成果在2020年初發(fā)表在美國物理期刊《物理評論B》（Physical Review B 101, R020501），并成為2020年基本科學指數(shù)數(shù)據(jù)庫（ESI）高被引和熱點研究論文。 e?yrx6  
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中山大學王猛教授領導的研究團隊與張廣銘教授深度合作，獨辟蹊徑，將研究重點聚焦在具有327結構的鑭鎳氧化物體系。其中鎳離子的平均價態(tài)為2.5價，遠離人們此前認為容易出現(xiàn)超導電性的正1價。通過對該單晶樣品開展百萬大氣壓下的電輸運測量，發(fā)現(xiàn)在80K左右有明顯的電阻下降。通過改變傳壓介質、改進高壓測試方法，在電阻上看到顯著的超導轉變證據(jù)(見下圖)。實驗中低溫仍然存在剩余電阻，可能與傳壓介質導致的應力不均勻有關。之后，實驗組在25.2GPa壓力下進行了磁化率測試，實驗結果表明樣品在77K以下明顯出現(xiàn)抗磁性。由此，在實驗上證明了鑭鎳氧327單晶樣品在超過14GPa的壓力下出現(xiàn)了80K的高溫超導電性。此外，高壓同步輻射實驗對晶體結構進行了分析，顯示在12GPa壓力左右樣品發(fā)生結構相變。結合對不同結構熱力學焓的計算，確認鑭鎳氧327在壓力下單晶樣品結構的空間群發(fā)生了轉變，相應c-軸方向鎳-氧-鎳鍵角由168°轉變?yōu)?80°。 ~`Rb"Zn  
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聯(lián)合研究團隊進一步利用密度泛函理論，對結構相變前后的電子能帶結構進行了詳細計算，發(fā)現(xiàn)在低壓下鎳離子的dx²-y²軌道電子穿過費米面，dz²軌道電子在c-軸方向鎳-氧-鎳形成了成鍵態(tài)和反鍵態(tài)，導致兩個鎳離子的dz2能級劈裂，分別為滿占據(jù)態(tài)和空占據(jù)態(tài)。在高壓下，dz²成鍵態(tài)電子上移，接觸費米面，發(fā)生σ-鍵金屬化，對應超導電性的出現(xiàn)。鑭鎳氧327獨特的雙層鎳氧面晶體結構直接導致了其獨特的電子占據(jù)方式，使成鍵態(tài)dz²軌道電子具有較強關聯(lián)，而dx²-y²軌道電子關聯(lián)強度相對較弱。 +.pri  
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液氮溫區(qū)鎳基氧化物超導體具有完全不同于銅氧高溫超導體的晶體結構和電子態(tài)結構，超出此前理論預期，此項發(fā)現(xiàn)將有助于破解高溫超導的微觀機理，使高溫超導材料設計和預測成為可能，并在液氮溫區(qū)實現(xiàn)超導材料的巨大應用。國際頂級學術期刊《自然》（Nature）雜志審稿人一致認為此項研究發(fā)現(xiàn)是一項突破性進展，是第二個進入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導材料，是一個“從0到1”的科學突破。