薛其坤院士领衔！南方科技大学，重磅Nature！高温超导重大突破!

高压下双层镍酸盐超导体的发现开启了高温超导（high-TC）领域的新篇章。然而，高压条件以及杂质相的存在阻碍了对其超导性质和潜在应用的全面研究。

成果简介

在此，南方科技大学薛其坤院士与陈卓昱副教授等人采用双层镍酸盐外延薄膜在环境压力下实现了超过McMillan极限（40 K）的超导起始温度。通过巨型氧化性逐层外延生长技术（GOALL-Epitaxy）在SrLaAlO4衬底上生长了厚度为三个晶胞（3UC）的La2.85Pr0.15Ni2O7纯相单晶薄膜，其电阻率测量和磁场响应表明其超导起始温度Tc为45 K。零电阻转变表现出与Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）类行为一致的特征，BKT转变温度TBKT为9 K。通过互感装置观察到在TM=8 K时出现迈斯纳抗磁效应，与BKT类转变一致，面内和面外的临界磁场表现出各向异性。扫描透射电子显微镜（STEM）图像和X射线倒易空间映射（RSM）显示，双层镍酸盐薄膜在NiO2平面相对于块体材料承受约2%的相干外延压缩应变时呈现出四方相。本文的发现为在环境压力条件下全面研究镍酸盐超导体铺平了道路，并为通过异质结构中的应变工程探索更高转变温度的超导性提供了可能。

相关文章以“Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”为题发表在Nature上！

研究背景

高温超导性最初是在由堆叠的超导CuO2平面组成的铜酸盐中发现的，在铜氧平面中的每个Cu离子中，大约有9个电子占据3d轨道，其中3dx²-y²轨道在费米能级附近占据主导地位。与铜酸盐在结构上类似且共享3d9构型的无限层镍酸盐，其超导NiO2平面附近的电子结构与铜酸盐相当，尽管其氧杂化较弱，更接近Mott-Hubbard区域。相比之下，最近发现的双层镍酸盐超导体具有名义上的3d7.5构型，与铜酸盐和无限层镍酸盐的电子结构截然不同。在结构上，与缺乏活性超导平面之间顶点氧原子的铜酸盐和无限层镍酸盐不同，双层镍酸盐的相邻NiO2层之间存在顶点氧原子，这表明3dx²-y²和3dz2轨道可能共同贡献。尽管存在这些差异，双层镍酸盐仍然可以在高达液氮温度的条件下实现高温超导，尽管这仅在高压条件下实现，使其成为理解高温超导机制的关键体系。双层镍酸盐La3Ni2O7中的超导性最初在超过14 GPa的压力下被观察到，电阻接近零。随后的研究在静水压力下实现了单晶和多晶La3Ni2O7样品的零电阻态，尽管超导体积分数仍然较低。结构多态性的存在，包括各种Ruddlesden-Popper变体，带来了重大挑战，并掩盖了真正负责超导性的相的识别。至关重要的是，是否可以在环境压力下实现超过40 K McMillan极限的高温超导仍然是一个重要的未解问题。

图文导读

本文通过在稀土元素掺杂的外延薄膜上施加衬底诱导的压缩应变，实现了环境压力下纯相双层镍酸盐薄膜的超导转变起始温度为45 K，从而为研究其超导性质开辟了直接途径。La2.85Pr0.15Ni2O7双层镍酸盐薄膜通过巨型氧化性逐层外延生长技术（GOALL-Epitaxy）在经过处理的（001）取向的SrLaAlO4衬底上生长。与氧化物分子束外延（OMBE）或脉冲激光沉积（PLD）不同，GOALL-Epitaxy在强臭氧氧化环境下使用不同的激光烧蚀靶材来生长不同的原子层。生长过程通过反射高能电子衍射（RHEED）在氧化条件下原位监测，外延应变在3个晶胞厚度内保持相干，化学计量比的精度优于1%。为了实现最佳的超导性，在生长室中进行30分钟的后退火处理至关重要：在575°C下，通过同一个喷嘴持续注入15帕纯化臭氧（流速约10 sccm）。样品在相同的臭氧环境中以100°C/min的速率冷却，直到接近室温。关闭臭氧流后，样品迅速从生长室转移到装载锁室。一旦装载锁闸阀关闭，立即引入纯氧以排出装载锁室，确保一致的氧化环境以稳定超导样品。

图1：超导双层镍酸盐薄膜。

迈斯纳抗磁效应通过互感装置进行验证。实验中，驱动线圈和拾取线圈垂直放置于薄膜样品的上下方。在迈斯纳温度（TM=8 K）以下，观察到抗磁信号，这与从电阻-温度（R-T）曲线中提取的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）转变温度TBKT在误差范围内一致。这表明样品进入了真正的超导态。同时，提取了穿透深度λ（量级为微米）作为温度的函数，展示了3UC La2.85Pr0.15Ni2O7/SrLaAlO4样品在不同面内和面外磁场下的R-T曲线，显示出强烈的磁响应各向异性。

图2：双层镍酸盐薄膜的磁场响应。

STEM和EDS图像揭示了超导3UC La2.85Pr0.15Ni2O7/SrLaAlO4样品的关键结构特征（图3），在具有较大视场的STEM图像中没有检测到杂质阶段。在界面上，在基底处理过程中可能进行重建，形成AlO2双层，作为外延生长的模板。薄膜的生长开始于LaO层，Ni和Al之间没有可检测到的原子尖锐界面和相干外延应变，确保了在界面附近保持超导性能。有趣的是，观察到衬底中的Sr扩散进入薄膜的第一个晶胞。由于Sr替代La通常会引入空穴掺杂，这可能意味着相对于总薄膜厚度有更薄的超导层（假设空穴掺杂是重要的），尽管在整个薄膜中观察到单相结构。与La3+相比，Pr3+的离子半径较小，这可能促进了Sr2+的扩散，可能增强了超导性。对于La3Ni2O7/SrLaAlO4样品，Sr在界面处的扩散长度较短，可能导致有效超导厚度减小，使这些样品对衬底表面质量相关的界面无序更为敏感，从而即使在存在库珀对的情况下，也更容易表现出绝缘行为。

图3：超导双层镍酸盐薄膜的STEM

图4显示了La2.85Pr0.15Ni2O7和La3Ni2O7薄膜沿平面外方向和倒易空间映射（RSMs）的XRD。XRD显示了一系列明确的衍射峰，没有杂质相的迹象，表明即使只有3-5 UC，也具有较高的结晶质量。超导La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜在Srlalalo4衬底上的平面外晶格常数计算为20.74 Å，比体相延长了~1%。在LaAlO3衬底上生长的非超导La3Ni2O7膜，平面内晶格常数较大，表现出略小的平面外晶格常数，这意味着足够的超导应变可能发挥作用。在主衍射峰周围的Kiessig条纹的存在证实了样品具有原子光滑的表面和界面。在SrLaAlO4衬底上，x射线反射率（XRR）测量得到的3UC La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜的薄膜厚度为~6.6 nm，与误差范围内增长的预期一致。换句话说，该薄膜具有与SrLaAlO4衬底相同的平面内晶格常数（3.75 Å），与体相相比，压缩应变为2%。由于相干应变，在SrLaAlO4衬底上生长的3UC La2.85Pr0.15Ni2O7和3UC La3Ni2O7薄膜在像差内显示出几乎相同的平面内晶格常数。

图4：双层镍酸盐薄膜的XRD和RSM

结论展望

综上所述，本文实现了纯相双层镍酸薄膜的超导性，转变开始超过McMillan极限。采用GOALL-Epitaxy方法，在具有原子级光滑表面和界面的SrLaAlO4衬底上生长了高质量的、外延应变的3个晶胞厚度的La2.85Pr0.15Ni2O7薄膜。薄膜展现出45 K的超导转变起始温度（Tc），并表现出Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）类转变行为，其BKT转变温度TBKT为9 K，与迈斯纳温度TM=8K一致，磁性响应揭示了临界场的各向异性。本文的工作提高了对镍酸盐超导机制进行实验研究的可行性，并为在环境压力下实现高于77 K（液氮沸点温度）的转变温度奠定了基础。

作者简介

薛其坤，教授，中国科学院院士。国际著名实验物理学家，主要研究方向为扫描隧道显微学、分子束外延、拓扑绝缘量子态和高温超导电性等。荣获2023年度国家最高科学技术奖、国际凝聚态物理领域最高奖巴克利奖。曾获国家自然科学一等奖1项，获国家自然科学二等奖2项，获第三世界科学院物理奖、陈嘉庚科学奖、国家特支计划杰出人才、求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖、未来科学大奖－物质科学奖、（首届）全国创新争先奖章、菲列兹·伦敦纪念奖、北京市突出贡献中关村奖和复旦-中植科学奖等奖励与荣誉。2005年11月当选为中国科学院院士；2017年起任北京量子信息科学研究院院长。目前为中国物理学会副理事长、美国物理学会会士，是国际著名期刊Surface Science Reports、Nano Letters、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics和 AIP Advances等的编委，National Science Review副主编和Surface Review & Letters主编。

陈卓昱，2012年本科毕业于清华大学数理基础科学专业，2018年博士毕业于斯坦福大学应用物理专业，随后在斯坦福大学和SLAC国家实验室进行博士后研究，2022年加入南方科技大学物理系任副教授。陈卓昱主要利用氧化物分子束外延、角分辨光电子能谱和极低温量子输运等实验手段，对铜基、铁基、镍基和钛基材料的超导配对机理、界面耦合和相位涨落等方面进行研究。目标是理解高温超导机理，以及利用异质界面等操控手段，创造新的超导材料结构，提高超导转变温度。

文献信息

Guangdi Zhou†, Wei Lv†, Heng Wang†, Zihao Nie†, Yaqi Chen, Yueying Li, Haoliang Huang, Weiqiang Chen, Yujie Sun, Qi-Kun Xue*, Zhuoyu Chen* , Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z