【引言】

       1986年，科学家发现铜氧化物超导材料，随后包括中国科学家在内的多国科学家将其超导温度提升到了液氮温区（77开尔文，即零下196摄氏度）。液氮的廉价和易得，推动了铜氧化物高温超导材料在信息技术、生物医学、科学仪器、电力、交通运输等领域的应用。但经过近40年的研究，铜氧化物仍然是仅有的可以进入液氮温区的非常规超导体，且其超导机理仍未知。

       全球科学家一直致力于寻找非常规超导材料并解决高温超导机理。北京时间2023年7月12日，《自然》杂志刊登了中山大学王猛教授团队主导的科学成果：发现液氮温区镍氧化物超导体- La₃Ni₂O₇。这是中国科学家发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，是基础研究领域“从0到1”的突破，将有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能，实现更广泛更大规模的产业化应用。

【成果简介】

       寻找镍基超导体的思路，正是铜氧化物高温超导多年研究带来的启示。人们寄希望于高压下的镍氧化物材料来寻找非常规超导电性，如La₂NiO₄、La₃Ni₂O₇、La₄Ni₃O₁₀等结构体系。其中La₃Ni₂O₇生长条件极为苛刻，平均价态为2.5价，偏离Ni的稳定价态正2价，氧压范围窄，王猛教授团队花了两年多的时间，摸索出生长条件，采用ScIDre公司的HKZ高温高压光学浮区炉生长出高质量La₃Ni₂O₇单晶样品。

王猛教授团队学生在操作光学浮区炉

       王猛教授团队对所生长的La₃Ni₂O₇单晶样品开展实验研究，发现La₃Ni₂O₇材料在常压低温下为绝缘体，随着压力的增加，逐渐转变为金属态并伴随着一个结构相变，形成了类似铜氧化物中八面体的结构。王猛教授团队随后观测到了78–80 K的电阻onset转变温度，77 K的磁化率下降温度，以及对应的磁场抑制超导转变现象和正常态的线性电阻行为。理论分析说明，Ni离子的+2.5价发挥了特殊的作用，它的两个不同d轨道分别影响c方向和ab面内的关联电子态，从而实现了非常规超导电性。

La₃Ni₂O₇单晶样品高压下的电阻、抗磁性及超导上临界磁场拟合

       本工作中La₃Ni₂O₇单晶样品生长所用的HKZ高温高压光学浮区炉相关参数为：5 kW功率的氙灯、15 bar氧气氛围。

部分La/Pr-Ni-O体系晶体生长条件：

       德国ScIDre公司推出的高温高压光学浮区法单晶炉能够提供高达3000℃的生长温度，晶体生长腔压力可达300 bar，甚至10^-5 mbar的高真空。适用于生长各种超导材料单晶，介电和磁性材料单晶，氧化物及金属间化合物单晶等。Quantum Design将ScIDre公司先进的高温高压光学浮区法单晶炉、高压氧气氛退火炉引进中国，更好的为中国晶体生长领域的发展提供设备支持和技术服务。

ScIDre单晶炉技术特色：

► 采用垂直式光路设计

► 采用高照度短弧氙灯，多种功率规格可选

► 熔区温度：高达3000℃

► 熔区压力：10bar/ 50bar/ 100bar/ 150bar/ 300bar等多种规格可选

► 氧气/氩气/氮气/空气/混合气等多种气路可选

► 采用光栅控制技术，加热功率从0-100% 连续可调

► 样品腔可实现至低10^-5 mbar真空环境

► 丰富的可升级选件

HKZ高温高压光学浮区炉

HKZ垂直式光示意图

      此外，在这项工作中，王猛教授团队对La₃Ni₂O₇单晶材料的电学性质测量采用的是美国Quantum Design公司的综合物性测量系统PPMS。PPMS是一款集成全自动的磁学、电学、热学和形貌，甚铁电和介电等各种物性测量的设备。该系统自1994年由Quantum Design在美国圣地亚哥发布以来，从最初的灌液氦系统到现在的无液氦系统型号PPMS DynaCool，已经经历了接近30年的历史，在全球销售安装了1500余套，在中国地区也有近300套，几乎遍布于任何低温强磁场下物性表征的科学研究实验室，助力了无数个重大科学发现。

无液氦综合物性测量系统外观图

文献来源：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7

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