中山大学，最新Nature

2023年7月12日，中山大学王猛及清华大学张广铭共同通讯在Nature 在线发表题为“Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure”的研究论文，该研究在14.0 ~ 43.5 GPa的高压电阻和相互感应磁化率测量中观察到La3Ni2O7单晶的超导特征，最大Tc为80k。

高压下的超导相表现为Fmmm空间群的正交结构，Ni 阳离子的3dx2-y2和3dz2轨道与氧的2p轨道强混合。密度泛函理论计算表明，在费米能级下，由3dz2轨道和连接Ni-O双层的顶端氧组成的σ-bonding带的金属化是与超导性同时出现的。因此，该研究不仅为Ruddlesden-Popper 双层钙钛矿镍酸盐的高Tc超导性提供了重要线索，而且为研究高Tc超导机制提供了新的化合物家族。

铜酸盐中的高Tc超导性出现在空穴载流子掺杂到Mott绝缘态，具有半填充Cu 3d9电子构型和S = 1/2自旋态。随着载流子的掺杂和层内Cu-O电子σ-bonding的束缚，所谓的Zhang-Rice单线态形成，导致了高Tc超导相。围绕最优掺杂，已经确定超导在布里温区对角线周围具有与间隙节点配对的d波。由角连接的CuO6八面体和LnO (Ln =镧系化物)层组成的层状结构是高温超导材料的常见特征。在类似铜酸盐的氧化镍化合物中寻找超导性已经投入了大量的努力。无限层镍酸盐是被广泛研究的家族之一，其中Ni+ (3d9)显示出与Cu2+相同的电子构型。

直到最近，Li等人确实在 Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜中发现了Tc在9 ~ 15k左右的超导性。随后，在具有无限NiO2层的其他空穴掺杂LnNiO2薄膜和具有五层NiO2层的Nd6Ni5O12中观察到超导性。在12.1 GPa下，Pr0.82Sr0.18NiO2薄膜的最大Tc达到了31 K，仍然低于所谓的McMillan极限40 K。超导电性均出现在化学式的Ruddlesden-Popper (RP)相Lnn+1NinO2n+2中，这是由RP相Lnn+1NinO3n+1通过拓扑化学还原法去除两个顶端氧得到的。最近的一项研究表明，镍酸盐薄膜中不可避免的氢对超导性至关重要。另一方面，对镍酸盐的RP相或大块样品的超导性的观察没有取得进展。

加压La3Ni2O7的结构表征（图源自Nature ）

该研究证明，在RP双层钙钛矿镍酸盐La3Ni2O7中，Ni2.5+ (3d7.5)的电子占位可以模拟空穴掺杂双层高Tc铜酸盐中的Cu2+，这是由于通过顶端氧阴离子存在3dz2轨道的强层间耦合。这种层间耦合导致在费米能级以下和费米能级以上形成层间σ-bonding键和反键带。施加高压可以通过3dx2-y2轨道上的空穴掺杂和3dz2轨道上的电子掺杂实现费米能级以下的σ-bonding键带的金属化。这是在14GPa以上的La3Ni2O7单晶中观察到的Tc~ 80k高Tc超导性的最重要线索。

虽然3dx2-y2和3dz2轨道都涉及到，但这特征与无限层超导镍酸盐明显不同，在无限层超导镍酸盐中，氧2p轨道的电子态远低于费米能级，并且由于它们的位置能量的较大分离，它们的3d - 2p混合大大减少。从实验中，Tc与高Tc铜超导体相当，高于铁基超导体的记录Tc。该研究这是第一个关于大块镍酸盐和镍酸盐RP相超导特征的实验报告。研究结果表明，氧化镍体系是寻找高Tc超导体和探索其非常规高Tc超导机制的一个有吸引力和可行的平台。

论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06408-7

转自：“小木虫考博”微信公众号

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