8月28日，浙江大學物理學院曹光旱研究組聯合中國科學院物理研究所程金光、周睿等研究組攜手在Nature期刊上發表了題為“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”的最新論文。 10月2日，中國科學院物理研究所程金光、周睿等研究組與東京大學Yoshiya Uwatoko合作，Nature期刊發表題為“Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonal La2PrNi2O7”的論文。物理所博士后王寧寧、博士生王罡、侯鈞和東京大學物性研究所特任研究員沈曉玲（現為上海交通大學博士后）為論文共同一作，物理所程金光研究員、王寧寧博士、周睿研究員以及東京大學物性研究所Yoshiya Uwatoko教授為論文共同通訊作者。程金光，1982年出生，2003年、2005年在哈爾濱工業大學物理系獲理學學士、碩士學位。2010年在美國德克薩斯大學奧斯汀分校獲博士學位，之后在本校繼續進行兩年博士后研究。2012年加入物理所。現任中國科學院物理研究所副所長、研究員、博士生導師。周睿，2009年畢業武漢大學物理系，2014年物理所博士畢業。2014~2017法國科學院博士后。2018年1月入職中國科學院物理研究所，任中國科學院特聘研究員，博士生導師。1. 通過摻雜得到純度更高的晶體，發現雜質相影響超導性質；2. 研究2D鈣鈦礦相鎳酸鹽的高壓超導性質，提高了鎳酸鹽材料的高溫超導溫度。最近的工作中，研究人員發現Ruddlesden–Popper雙層(n=2)鎳酸鹽鈣鈦礦相La3Ni2O7的高壓超導現象，在14GPa高壓具有高溫超導能力。之后，人們構筑了La3Ni2O7的單晶和多晶樣品，都能夠在靜態高壓下呈現超導。但是，由于La3Ni2O7的超導比例較低，因此目前還無法檢測發現超導的另一個標志（抗磁性），現在最重要的任務是得到體相的高溫超導，以及明確具有高溫超導的晶體結構。有鑒于此，中國科學院物理研究所聯合東京大學研究團隊，在Pr-摻雜La2PrNi2O7多晶樣品中發現塊體高溫超導。發現Pr摻雜能夠避免形成其他R-P晶相，實現了接近純相的雙層結構。研究發現，La2PrNi2O7在≈11GPa能夠導致正交晶相變為四方晶相，之后進一步增加壓力逐漸出現了高溫超導。測試發現，在18-20GPa的超導轉變溫度為Tonset=82.5K，Tzero=60K。在低于75K檢測發現對應于體相高溫超導的抗磁性信號，在大于15GPa發現顯著的超導屏蔽體積分數（97%）。圖1. La3?xPrxNi2O7?δ (x= 0, 1)樣品結構表征通過中子粉末衍射（NPD, neutron powder diffraction）測試發現La3Ni2O7?δ晶體沿著c軸存在短程層錯缺陷（stacking fault），并且通過HAADF-STEM成像表征，發現327和4310和214晶相具有普遍的共生現象。作者認為這些共生的晶相能夠影響La3Ni2O7?δ的輸運性質。隨后，通過對塊體晶體的局部無序結構敏感的核四極矩共振（NQR，nuclear quadrupole resonance）表征技術研究晶體的局部無序現象。通過詳細的表征發現La3Ni2O7?δ樣品中含有較多的327/4310界面和327/214界面，這種327/4310和327/214界面沿著c軸排列，因此通過XRD表征難以發現。因此，作者制備327純相樣品，發現Pr摻雜的La2PrNi2O7?δ樣品改善了晶相的純度。通過溶膠-凝膠法制備了一系列La3?xPrxNi2O7?δ (0≤x≤1)多晶樣品，比較La3?xPrxNi2O7?δ和La3Ni2O7?δ的衍射峰，發現Pr摻雜導致(0010)峰（晶體Warren不對稱特征峰）變得更強，說明樣品的晶化度增強。隨后進行晶體結構精修，并且發現Pr3+摻雜導致Ni-O-Ni鍵角度更小，產生更強的結構畸變，降低Ni-eg和O-2p軌道重疊，這導致電阻增加。STEM表征結果顯示Pr摻雜導致327/4310界面基本上消失，327/214界面數量減少。通過NQR表征驗證了Pr摻雜的晶體中不含4310晶相。因此，通過STEM和NQR表征和NPD精修結果明確說明，Pr摻雜的La2PrNi2O7晶體具有更好的晶相純度，而且基本上沒有氧缺陷。使用同步輻射XRD測試壓力在3.2GPa和56GPa區間內的晶相，發現壓力低于10.3GPa，晶體結構為Amam結構，當壓力達到11.1GPa，發現產生多個峰，在13.4°的(020)和(200)峰，23.1°的(135)和(315)峰，說明受到壓力作用產生了對稱性更高的結構。這個對稱性更高的結構與I4/mmm Sr3Ti2O7類似。這個高壓晶相轉變的過程與La3Ni2O7高壓產生Fmmm晶體的現象不同。將La2PrNi2O7樣品放置于立方六面砧CAC（cubic anvil cell）中，測試靜態高壓下的電阻ρ(T)。在0GPa時樣品表現為半導體性質，隨著壓力增加，在整個溫度區間內，電阻ρ(T)都是逐漸單調減少，到5 GPa后隨著溫度變化電阻不再逐漸減少。當壓力達到8GPa，發現當低于21.4K溫度，ρ(T)顯著降低。隨著壓力進一步增加，這種ρ(T)降低現象更加明顯，這說明產生超導性。在壓力為12GPa，ρ(T)能夠在4.4K達到接近0的電阻（Tonset=66.4K）。當壓力為15GPa，Tzero快速增加至40K，Tonset達到78.2K。在兩階段的多腔體裝置中測試更高壓力的電阻（20GPa），發現≤15GPa樣品的ρ(T)變化規律與上述測試相符，而且在壓力≥16GPa發現樣品表現金屬性。La2PrNi2O7樣品在各種已知的鎳酸鹽超導材料中得到創紀錄的超導溫度（Tzero≈60K），比La3Ni2O7?δ的超導溫度高20K。測試結果說明消除327/4310界面有助于改善材料的超導性質。測試La2PrNi2O7樣品的磁化率，并且與FeSe單晶對比。發現FeSe在9GPa產生明顯的超導抗磁性，與以往結果一致。測試發現La2PrNi2O7樣品在15GPa產生明顯的抗磁性信號，而且發現La2PrNi2O7的抗磁性信號在65K開始出現（15GPa），隨著壓力增加抗磁性信號增強。計算結果顯示La2PrNi2O7超導屏蔽體積比（fsc）達到≈100%。測試結果驗證La2PrNi2O7具有體相高溫超導。 測試La2PrNi2O7的T-P相圖，發現Tonset由21.4K（8GPa）增加至80.4K（20GPa），在19-20GPa，Tzero達到最大值（60K）。La2PrNi2O7最好的超導性質為Tonset=82.5K和Tzero=60K，這個超導性質比La3Ni2O7?δ更好。測試結果說明，結構轉變是雙層鎳酸鹽產生超導的前體，通過層間的3dz2軌道之間耦合作用增強高壓下的超導性質。Wang, N., Wang, G., Shen, X. et al. Bulk high-temperature superconductivity in pressurized tetragonal La2PrNi2O7. Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07996-8https://www.nature.com/articles/s41586-024-07996-8
