在凝聚態(tài)物理學(xué)界，高溫超導(dǎo)一直被譽為“明珠"，但其背后的物理機制仍是一個懸而未決的難題。7月17日，復(fù)旦大學(xué)趙俊團隊及合作者利用高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐HKZ系列成功生長了三層鎳氧化物L(fēng)a₄Ni₃O₁₀高質(zhì)量單晶樣品，證實了鎳氧化物中具有壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性 (bulk superconductivity)，其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)高達86%。研究還發(fā)現(xiàn)該類材料呈現(xiàn)出奇異金屬和層間耦合行為，為人們理解高溫超導(dǎo)機理提供了新的視角和平臺。

該成果以“Superconductivity in pressurized trilayer La₄Ni₃O_10-δ single crystals"為題發(fā)表于《Nature》上^[1]。

復(fù)旦大學(xué)趙俊團隊及合作者通過施加壓力有效地抑制了三層鎳酸鹽La₄Ni₃O_10-δ單晶中的自旋電荷序，在69 GPa壓力下，超導(dǎo)臨界溫度達到30 K。直流磁化率測量證實了顯著的抗磁響應(yīng)，其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)高達86%，證實了鎳氧化物的體超導(dǎo)性質(zhì)。同時，在正常態(tài)還觀察到一種奇異的金屬行為，其電阻溫度依賴線性關(guān)系延伸至300 K。此外，實驗發(fā)現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)的La₄Ni₃O_10-δ的Tc比雙層結(jié)構(gòu)的La₃Ni₂O₇要低，這種不同于銅酸鹽超導(dǎo)電性的超導(dǎo)層數(shù)依賴關(guān)系表明了鎳酸鹽層間耦合機制。趙俊團隊及合作者的發(fā)現(xiàn)建立了一個新的超導(dǎo)材料體系，可以促進人們對自旋電荷序、平帶結(jié)構(gòu)、層間耦合、奇異金屬行為和高溫超導(dǎo)之間的復(fù)雜相互作用進行更深入的探索，在揭示新現(xiàn)象和推動人們對高溫超導(dǎo)體的理解方面具有重要的意義。

本文生長的La₄Ni₃O_10-δ高質(zhì)量單晶樣品均采用德國ScIDre公司推出的高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐HKZ系列，涉及到的晶體生長工藝參數(shù)為：O₂氣氛壓力范圍18~22bar；5KW氙燈；3mm/hr晶體生長速度。

圖片引自^[1]

高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐

德國ScIDre公司推出的HKZ系列高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐能夠提供高達3000℃的生長溫度，樣品腔壓力可達300bar，甚至10^-5mbar的高真空。適用于生長各種超導(dǎo)材料單晶，介電和磁性材料單晶，氧化物及金屬間化合物單晶等。Quantum Design將ScIDre公司先進的高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐、高壓氧氣氛退火爐引進中國，更好的為中國晶體生長領(lǐng)域的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。

ScIDre單晶爐特點

? 采用垂直式光路設(shè)計

? 采用高照度氙燈，多種功率規(guī)格可選

? 采用光闌控制技術(shù)，加熱功率從0-100% 可調(diào)

? 熔區(qū)溫度：高達2000 - 3000℃（具體取決于材料和配置）

? 熔區(qū)氣壓：10bar、50bar、100bar、150bar、200bar、300 bar可選

? 熔區(qū)氣氛：Ar、O₂、N₂、混合氣等可選

? 不同真空環(huán)境可選：10^-2 mbar或 10^-5 mbar

? 豐富的可升級選件

高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐外觀圖

此外，在這項工作中，La₄Ni₃O_10-δ單晶材料的電學(xué)和磁學(xué)等性質(zhì)的部分?jǐn)?shù)據(jù)測量采用的是美國Quantum Design公司的無液氦綜合物性測量系統(tǒng)-DynaCool和全新一代磁學(xué)測量系統(tǒng)-MPMS3。

無液氦綜合物性測量系統(tǒng)

DynaCool是一款集成全自動的磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和形貌，甚鐵電和介電等各種物性測量的設(shè)備。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了接近30年的歷史，在全球銷售安裝了1500余套，在中國地區(qū)也有近300套，幾乎遍布于任何低溫強磁場下物性表征的科學(xué)研究實驗室，助力了無數(shù)個重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

無液氦綜合物性測量系統(tǒng)外觀圖

全新一代磁學(xué)測量系統(tǒng)

基于SQUID測量技術(shù)研發(fā)的MPMS3磁學(xué)測量系統(tǒng)因其磁性測量的高靈敏度備受科研工作者的歡迎。設(shè)備可同時提供變磁場測量環(huán)境和變溫度場測量環(huán)境，可廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、磁性材料、合金材料、有機材料、介電材料和高分子等材料的研究。

全新一代磁學(xué)測量系統(tǒng)外觀圖

參考文獻：

[1]. Zhu, Y., Peng, D., Zhang, E. et al. Superconductivity in pressurized trilayer La₄Ni₃O_10?δ single crystals. Nature 631, 531–536 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07553-3