綜合極端條件實驗裝置助力鎳基高溫超導研究取得新進展

近日，綜合極端條件實驗裝置（SECUF）的程金光團隊和周睿團隊聯合國內外多個研究團隊，在鎳基高溫超導體的研究中取得了重要進展。他們充分發揮SECUF獨特實驗測量技術的優勢，在La2PrNi2O7多晶樣品中同時提供了高壓下實現塊體高溫超導電性的兩個關鍵實驗證據，即零電阻和完全抗磁性，澄清了目前La3Ni2O7中高溫超導電性起源和體超導的爭議問題，并揭示了微觀結構無序對高溫超導電性的不利影響。相關成果以《La2PrNi2O7高壓四方相的塊體高溫超導電性》為題，發表在《自然》（Nature）雜志上。

高溫超導體由于在變革性技術方面具有巨大的應用前景而備受關注，發現新的高溫超導體系并揭示其物理機制是超導領域的研究前沿。去年，我國學者發現La3Ni2O7單晶在高壓下具有Tc ??80K的高溫超導電性的跡象，掀起了鎳基高溫超導的研究熱潮。隨后，我國學者在La3Ni2O7體系中成功觀察到零電阻態，但關于其完全抗磁性的實驗證據仍然缺乏。此外，實驗研究顯示La3Ni2O7單晶樣品由于穩定生長的氧壓范圍很窄，容易出現化學組分不均勻、內頂角氧空位以及多種鎳氧化物共存等問題。這造成目前關于La3Ni2O7中高溫超導電性的起源以及能否實現體超導態（完全抗磁性）等核心科學問題仍存在爭議，嚴重阻礙了鎳基高溫超導體的研究進程。

針對上述關鍵科學問題，該團隊調整思路將研究對象轉向晶體質量更易控制的多晶樣品，采用離子半徑較小的Pr部分替代La成功抑制了La3Ni2O7中不同鎳氧化物共生和內頂角氧空位等問題，制備了單相性良好的具有雙鎳氧層結構的La2PrNi2O7多晶樣品，并在該樣品中同時觀測到零電阻（Tconset?= 82.5K，Tczero?= 60K）和完全抗磁性（超導屏蔽體積分數達到97%）。該研究結果表明鎳基高溫超導電性起源于雙鎳氧層鈣鈦礦相，并揭示微觀結構無序對La3Ni2O7中高溫超導電性的不利影響。這一工作對于鎳基高溫超導材料的進一步優化設計與合成具有重要指導作用，將推動鎳基高溫超導體的研究進程。

在該項研究中，SECUF的A2-六面砧高壓實驗站和A6-強磁場核磁共振實驗站發揮關鍵作用。其中，A2實驗站提供的大腔體多砧高靜水壓物性測量技術，能在最大程度上保證壓力的各向同性和均勻性，有效克服了鎳基超導材料對非靜水壓環境異常敏感而無法實現零電阻的難題。 A6實驗站的核四極矩共振（NQR）測量技術，提供了一種定量確定樣品中不同鎳氧化物相比例以及界面等微觀結構無序的方法。

SECUF是國家“十二五”重大科技基礎設施，已建成國際先進的集極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等綜合極端條件為一體的用戶實驗裝置，可極大提升我國在物質科學及相關領域的基礎研究與應用基礎研究綜合實力。SECUF（北京部分）于2017年開始動工，2023年初全面投入試運行，20個實驗站對國內外用戶開放。目前，SECUF提供的高壓、低溫和磁場等極端實驗條件已助力用戶在La3Ni2O7單晶和La4Ni3O10單晶中相繼發現了高壓誘導的高溫超導電性，相關成果發表在《自然》雜志上（Nature 621,493 (2023)；Nature 631,531 (2024)）。未來，SECUF將繼續為新型高溫超導材料的探索與機理研究提供重要支持，期待更多重要成果的涌現。