96K，超导新纪录！山东大学实现镍基高温超导新里程｜光锥读论文 突破液氮温区潜力！12月2日，《Nature》在线发表了一项高温超导领域的重要研究，题为Bulk superconductivity up to 96 K in pressurized nickelate single crystals。山东大学、北京高压科学研究中心、中国科学院物理研究所等多家单位的联合团队在常压环境下合成出高质量、高均匀性的稀土元素掺杂镍酸盐单晶，并在高压下观测到高达96K的超导转变温度，这是目前所有镍酸盐超导材料中的最高记录。论文的通讯作者为山东大学张俊杰教授、陶绪堂教授，北京高压研究中心曾桥石研究员、彭帝博士。
超导是指导电材料在特定低温下电阻突然消失且完全抗磁的现象。自1911年发现以来，超导技术被认为是能源、交通、医疗等领域变革的关键。但传统超导体需要极低的温度，制冷成本高昂。因此，寻找在更高温度下工作的“高温”超导体成为物理学界的长期梦想。
1986年，铜氧化物超导体的发现将超导温度提升至液氮温区以上，带来了第一次高温超导革命。近四十年来，其最高纪录保持在约-140℃（133K）。2023年，另一类材料——镍氧化物横空出世。科学家发现，双层结构的La3Ni2O7在高压下可实现约80K（约-193℃）的超导转变，突破了液氮沸点（77K），成为继铜基之后第二类液氮温区超导体，点燃了新的研究热潮。
然而，此前的镍酸盐超导体存在几个关键瓶颈：最高超导温度始终徘徊在80K左右；高品质单晶的合成极度依赖高压氧气设备，条件苛刻、重复性差；材料内部常存在杂质、结构不均匀等问题，阻碍了对超导机理的深入研究。
要研究材料的本征特性，拥有一颗内部结构完美、成分均匀的单晶体至关重要。以往制备镍酸盐单晶，需要在数十个大气压的纯氧环境中使用复杂的浮动区熔法，条件苛刻且易引入缺陷。本研究团队采用了一种更温和而巧妙的熔剂法。研究人员将原材料与无水碳酸钾粉末混合，碳酸钾充当助熔剂的角色。在常压大气环境下，将混合物加热至1000-1050℃，原料在熔融的碳酸钾中充分溶解。随后通过缓慢蒸发冷却，在72小时内，目标材料La2SmNi2O7便从“溶液”中逐渐析出，生长为黑色、闪亮的片状单晶。
这种方法完全摆脱了对高压氧气的依赖，极大地降低了制备门槛和成本。更重要的是，通过引入更小的钐离子替代部分镧离子，产生了“化学压力”，有效抑制了晶体中其他杂相结构的生成，获得了尺寸更大、质量更优的单晶。
高质量晶体在手，团队开始探索其超导性能。在常压下，该晶体是绝缘体。他们将其放入金刚石对顶砧装置中，这种设备可以通过两颗金刚石的尖端对样品施加数百万个大气压的极端压力。随着压力升高至约14GPa，材料的电阻开始下降，并在68K时出现陡降，标志着超导转变的开始。继续加压，超导转变温度持续攀升。当压力达到约21.6GPa时，团队观测到了清晰的零电阻现象和迈斯纳效应，这两者是判定体超导的铁证。其中，转变起始温度高达92K，零电阻温度达到73K，均超过了此前所有镍酸盐超导体的记录。这明确证明了La2SmNi2O7在高压下是真正的体相高温超导体。
为了理解超导机理，团队在高压和低温下对晶体粉末进行了同步辐射X射线衍射研究。结果发现，在约18GPa压力以下，材料保持单斜结构时就已经进入了超导态；压力更高时，它会转变为更对称的四方结构，超导依然存在。这一重要发现表明，四方对称性并非产生超导的必要条件。无论是单斜还是四方结构，都可能支持高温超导，拓宽了对镍酸盐超导物理机制的认识。
最重要的突破来自于对规律的洞察。团队系统研究了不同稀土元素掺杂的一系列晶体，发现材料在常压下的面内晶格畸变程度与它在高压下能达到的最高超导温度存在明显的正相关趋势。简单来说，在常压下晶体结构被“化学压力”扭曲得越厉害，它在高压下实现超导的潜力就越大。这一发现为有目的地设计更高Tc材料提供了清晰的路线图。沿着这一思路，团队合成了扭曲程度更大的 La1.57Sm1.43Ni2O7-δ晶体。果不其然，在高压下，该材料的超导转变起始温度进一步提升至96K，创造了镍酸盐超导家族的新纪录。
这项研究攻克了材料制备的难关，首创“常压可重复”的生长方法，为全球同行提供了研究所需的纯净样品。它还揭示了晶格畸变与超导温度的直接关联，澄清了超导对晶体结构的真实要求，为通过化学设计寻找更高超导材料提供了清晰路线图。96K的新纪录虽仍需高压实现，但证明了镍酸盐具备突破液氮温区、逼近传统铜基超导的潜力。每一次记录的刷新，都意味着我们离实现常温常压超导的终极梦想更近了一步。
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