镍基超导研究进展
镍基超导体的发现, 为高温超导研究开辟了新的方向. 深入探索其物理机制, 不仅有助于揭示高温超导的奥秘, 也将拓展超导材料的潜在应用范围. 镍基超导作为一个新兴的研究领域, 在短短几年内取得了显著的研究进展. 例如, 双层镍氧化物在压力下转变温度超过液氮沸点, 而无限层和双层镍氧化物体系的薄膜样品则实现了常压超导. 从新材料的发现、物理性质的深入研究, 到理论模型的不断提出和完善, 这些进展都为理解高温超导机制提供了新的视角.
然而, 目前镍基超导研究仍面临诸多挑战. 首先, 材料的制备条件较为苛刻, 部分材料超导的实现还需要高压条件, 这在一定程度上限制了对其更广泛深入的研究. 其次, 尽管对其物理性质已有所了解, 但超导机制仍尚不明确, 亟需关键的实验证据和理论突破. 此外, 与铜氧化物超导体相比,镍基超导材料的超导临界温度 Tc 还有较大提升空间, 如何进一步提高 Tc 是领域内有待探索的关键科学问题.
鉴于当前镍基超导研究是一个高度活跃且进展迅速的前沿领域, 《物理学报》特组织“镍基超导研究进展”专题, 汇集和展示镍基超导研究领域的最新研究成果, 内容涵盖实验和理论的原创性研究工作、综述、观点和展望, 以及相关的实验仪器和研究方法. 我们期望通过本专题, 进一步促进该领域的成果交流和深入发展.
2026, 75 (1): 010704.
doi: 10.7498/aps.75.20251207
摘要 +
La3Ni2O7在高压条件下表现出近80 K的超导电性, 是继铜氧化物高温超导体之后第二类超导转变温度进入液氮温区的层状非常规超导体, 其发现引起了国际上的广泛关注. 利用最近发展的金刚石对顶砧(DAC)准静水压技术, 本课题组在La3Ni2O7高压电输运测量方面取得了一些重要进展, 率先发现了其高温超导零电阻现象, 并揭示了超导与奇异金属态之间的内在联系. 本文简单概述我们在该方面取得的一些研究进展, 包括DAC准静水压技术的发展、La3Ni2O7超导零电阻的发现过程、超导转变温度Tc与线性电阻系数之间的联系, 以及修正后的压力-温度相图等. 结合后续发现的其他类型的镍基高温超导材料的压力-温度相图, 本文还分析了镍基高温超导与密度波转变和结构相变之间的可能联系, 为后续镍基高温超导的研究提供借鉴.
2025, 74 (22): 220102.
doi: 10.7498/aps.74.220102
摘要 +
镍基超导体的发现, 为高温超导研究开辟了新的方向. 深入探索其物理机制, 不仅有助于揭示高温超导的奥秘, 也将拓展超导材料的潜在应用范围. 镍基超导作为一个新兴的研究领域, 在短短几年内取得了显著的研究进展. 例如, 双层镍氧化物在压力下转变温度超过液氮沸点, 而无限层和双层镍氧化物体系的薄膜样品则实现了常压超导. 从新材料的发现、物理性质的深入研究, 到理论模型的不断提出和完善, 这些进展都为理解高温超导机制提供了新的视角.
2025, 74 (22): 227401.
doi: 10.7498/aps.74.20251179
摘要 +
压力下双层镍氧超导体展现出高达80 K的超导临界温度, 使Ruddlesden-Popper (RP)相层状镍氧化物成为研究非常规高温超导机制的新平台. 本文从弱耦合理论计算角度出发, 系统回顾了近期在RP相层状镍酸盐中非常规超导配对机制的理论研究进展, 内容涵盖配对对称性、主导轨道成分及其自旋涨落特征等方面, 涉及加压条件下的La3Ni2O7, La4Ni3O10, La5Ni3O11块材以及常压条件下的La3Ni2O7薄膜等多个体系. 这些材料普遍表现出以Ni-$3{\mathrm{d}}_{z^2}$与$3{\mathrm{d}}_{x^2-y^2}$轨道为主导的低能电子自由度. 在RP块材中, 无规相近似、泛函重整化群和涨落交换近似等弱耦合方法普遍支持一种由自旋涨落介导、以层间${\mathrm{d}}_{z^2}$轨道为主导的${\mathrm{s}}^{\pm}$波配对机制. 其中, La3Ni2O7块材的超导可能与费米面上γ口袋的出现密切相关, 该口袋源于${\mathrm{d}}_{z^2}$轨道成键态的金属化过程. 另一方面, La4Ni3O10的超导特性主要取决于洪特耦合强度和掺杂浓度, 而非能带细节; 而La5Ni3O11则因层间约瑟夫森效应, 呈现出穹顶型的压力-超导相图. 对于La3Ni2O7薄膜, 理论研究表明其可能存在${\mathrm{s}}^{\pm}$波与${\mathrm{d}}_{xy}$波竞争的配对特征. 此外, 常压下的自旋密度波序与超导存在紧密联系. 整体而言, 弱耦合理论不仅解释了实验现象, 还为在常压下实现高温超导提供了理论思路.
2025, 74 (22): 227402.
doi: 10.7498/aps.74.20251258
摘要 +
近期, 双层镍氧化物La3Ni2O7在压力下呈现的高温超导电性引发了广泛关注, 进一步推动了镍基超导领域的研究热潮. 对不同非常规超导体开展系统的比较研究, 有助于深化对高温超导机制的理解. 相较于铜基超导体, 镍基体材料在晶体结构、电子结构与物性行为上存在显著差异, 其实验研究亦面临更多挑战, 例如静水性对零电阻、抗磁性测试的影响, 单晶氧空位缺陷以及压力下诱导的结构相变等. 本文针对三层镍氧化物体材料, 总结了高温超导研究进展及相关挑战, 为后续镍氧化物新超导体系的研究提供了参考.
2025, 74 (22): 227403.
doi: 10.7498/aps.74.20251080
摘要 +
常压镍基高温超导电性的发现, 为深入地探索镍基超导机理带来了新平台. 然而, Ruddlesden-Popper相镍氧化物在热力学上处于亚稳态, 对其结构和氧含量的精准控制极具挑战. 本文介绍了利用强氧化原子逐层外延生长技术在LaAlO3和SrLaAlO4衬底上制备单相、高质量的Ln3Ni2O7 (Ln为镧系元素)薄膜的系统方法. 其中, (La, Pr, Sm)3Ni2O7/SrLaAlO4超导薄膜的超导起始转变温度(Tc,onset)达到50 K. 阳离子化学计量偏差、逐层原子覆盖度、薄膜与衬底界面重构和氧化条件是影响薄膜Ln3Ni2O7晶体质量和超导性能的4个重要因素: 1)精准的阳离子化学计量控制会抑制晶体杂相的产生; 2)原子逐层的完整覆盖和3)优化的界面重构可以减少薄膜的堆垛层错; 4)准确的氧含量调控则是实现超导单转变和高Tc,onset的关键. 这些发现对各类氧化物高温超导薄膜的逐层外延生长具有借鉴意义.
2025, 74 (22): 227404.
doi: 10.7498/aps.74.20250903
摘要 +
近年来, 无限层镍氧化物薄膜作为首个实现超导电性的镍氧化物体系, 引起研究者广泛关注. 该材料通过将钙钛矿结构前驱体去除顶角氧获得. 传统的CaH2封管还原法虽简单有效, 但属于非原位手段且容易造成表面非晶化, 不适用于表面敏感实验的研究. 为了解决该问题, 本文在超高真空腔体中建立了3种不同的原位原子氢还原方式(科研用射频等离子体裂解源、工业用射频等离子体裂解源和热裂解源), 系统探索各自的最优还原条件, 并比较不同还原方式对薄膜表面形貌和超导转变温度等性质的影响. 多种原位还原方式的优化和对比对于进一步提升无限层镍氧化物的表面质量及超导性能至关重要. 结果表明, 3种原位手段在降低薄膜表面粗糙度方面相比于CaH2还原表现出优势, 工业用射频等离子体裂解源和热裂解源可实现优于CaH2的超导性能. 研究还系统介绍了各还原方式的参数优化结果, 为实现高质量无限层镍氧化物薄膜的可控还原提供了重要参考.
2025, 74 (17): 177401.
doi: 10.7498/aps.74.20250696
摘要 +
对于双层Ruddlesden-Popper相镍酸盐La3Ni2O7, 近期的实验研究表明, 在超导区, 随着压力增大, 其超导转变温度从18 GPa压力下的83 K单调下降, 表现出近直角三角形的超导转变温度-压力相图, 与铜氧化物超导体和铁基超导体中掺杂或压力下的穹顶形超导相图不同. 解释该反常相图对揭示La3Ni2O7的超导机制至关重要. 由于电声耦合机制无法解释镍基超导体的高超导转变温度, 因此, 本文从巡游电子和局域自旋图像出发, 探讨超导转变温度的压力依赖性. 通过将理论结果与实验结果进行对比, 为揭示其超导机制提供线索.
2025, 74 (17): 177402.
doi: 10.7498/aps.74.20250856
摘要 +
镍基超导体因其具有与铜基高温超导体相似的电子构型而受到广泛关注. 近期, 压力下双层镍氧化物La3Ni2O7中高达80 K的超导转变不仅引发了新一轮镍基超导研究的热潮, 也为非常规超导体的研究开辟了新方向. 层状镍基超导体在结构特征、超导性质以及电子结构方面与铜基、铁基超导体既具有相似性, 也存在显著差异. 对镍基超导体电子结构的深入研究有望揭示这些异同背后的物理机制, 为构建统一的理论模型提供关键依据, 从而推动非常规超导研究的发展. 此外, 非平衡态超快动力学的研究为非常规超导提供了新的视角和调控手段, 并逐渐成为非常规超导研究的重要手段之一. 本文聚焦于Ruddlesden-Popper相层状镍基超导体的电子结构与超快动力学研究, 系统回顾了角分辨光电子能谱和超快光反射率测量在镍基超导研究中的成功应用. 这些研究进展为理解非常规超导机制及其正常态性质提供了重要的实验信息.
2025, 74 (17): 177403.
doi: 10.7498/aps.74.20250711
摘要 +
2023年, 具有双层镍氧面结构的La3Ni2O7单晶在高压下被发现具有高温超导电性. 随后, 大量理论与数值计算研究工作涌现, 旨在阐明这一新型高温超导体在不同方面的物理特性及其超导机理, 并据此探索和预测新型镍基高温超导材料. 由于La3Ni2O7镍氧化合物具有多轨道自由度的特征, 其电子关联效应复杂, 物理学家对其超导配对起源的理解存在分歧, 目前多种超导理论并存. 本文综述La3Ni2O7镍氧化物在理论和数值计算方面的若干近期进展, 并讨论其一些基本物性和可能的超导机理.
2025, 74 (17): 177103.
doi: 10.7498/aps.74.20250604
摘要 +
Ruddlesden-Popper型双层镍酸盐材料La3Ni2O7在高压(>14 GPa)下表现出约80 K的超导转变温度($T_{\mathrm{c}}$), 引起了广泛关注. 该材料独特的双层结构赋予其不同于铜基超导体的电子结构特性, 其超导机理具有重要的研究价值. 实验发现该体系中存在电荷密度波与自旋密度波序, 可能与超导态存在竞争关系, 深入探究其形成机制对于理解该体系的超导本质具有重要意义. 本工作结合密度泛函理论与动力学平均场理论(DFT+DMFT), 在包含两个子格点Ni-eg轨道的低能有效模型基础上, 引入Hartree平均场处理近邻格点间库仑相互作用, 系统研究了非局域库仑相互作用对电荷有序行为与电子关联效应的影响. 计算结果表明, 当$V \leqslant $$ V_{{\mathrm{c}}1} \approx 0.46$eV时, 体系保持子格点对称性, 谱函数无显著变化; 当$V > V_{{\mathrm{c}}1}$时, 子格点对称性破缺, 体系进入电荷有序相, 且谱函数发生明显的重构. 进一步增大$V$至$V_{{\mathrm{c}}2} \approx 0.63$ eV后, 体系进入完全极化态, 其中一个子格点近乎空, 占据主要集中于另一子格点, 后者接近3/4填充. 本研究揭示了近邻库仑相互作用在驱动电荷不均匀分布及调控电子关联中的关键作用, 为全面理解La3Ni2O7中的低能有序态提供了新的视角.
