非常規(guī)高溫超導(dǎo)機(jī)理是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的核心科學(xué)難題之一。歷經(jīng)數(shù)十年研究，科學(xué)家們僅在銅氧化物和鐵基化合物兩類(lèi)體系中觀(guān)測(cè)到高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。鎳基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，為理解高溫超導(dǎo)機(jī)制開(kāi)辟了全新的研究平臺(tái)，但相關(guān)基礎(chǔ)研究仍處于起步階段，許多關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題亟待解決。近年來(lái)，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室、量子功能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室齊彥鵬課題組與合作者在鎳基高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展。

Ruddlesden-Popper鎳氧化物多晶樣品的高壓超導(dǎo)和摻雜效應(yīng)

齊彥鵬組采用固相反應(yīng)法與溶膠-凝膠法成功制備了一系列 Ruddlesden-Popper (RP) 結(jié)構(gòu)鎳氧化物多晶（La₂NiO₄、La₃Ni₂O₇，La₄Ni₃O₁₀等）及摻雜樣品，并利用金剛石對(duì)頂砧（Diamond Anvil Cell, DAC）裝置對(duì)這些樣品開(kāi)展了系統(tǒng)的高壓原位測(cè)量研究。結(jié)果表明，壓力可以在La₃Ni₂O₇ 多晶樣品中誘導(dǎo)出臨界溫度（T_c）為86 K 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變（圖1）。這是首次在鎳基氧化物多晶材料中觀(guān)測(cè)到超導(dǎo)現(xiàn)象。進(jìn)一步研究表明，雙層結(jié)構(gòu)的La₃Ni₂O₇ 對(duì)摻雜表現(xiàn)出高度敏感性。值得注意的是，利用同價(jià)態(tài)的稀土元素釔（Y）進(jìn)行摻雜，可有效提升其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。相較于單晶樣品需要在較高氧壓條件（約15 bar）下生長(zhǎng)，多晶樣品超導(dǎo)電性的實(shí)現(xiàn)顯著降低了鎳基氧化物的研究壁壘。

圖1：La₃Ni₂O₇多晶在壓力下的超導(dǎo)相圖

上述工作發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《材料科學(xué)技術(shù)》（Journal of Materials Science & Technology），并獲期刊2024年度優(yōu)秀論文獎(jiǎng)（Excellent Article Award）。上?？萍即髮W(xué)為該研究成果第一完成單位，上?？萍即髮W(xué)博士研究生張明鑫為第一作者，齊彥鵬教授為通訊作者。

論文標(biāo)題：Effects of pressure and doping on Ruddlesden-Popper phases La_n+1Ni_nO_3n+1

論文連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030223009829

三層鎳氧化物La₄Ni₃O₁₀超導(dǎo)電性

雙層鎳氧化物La₃Ni₂O₇高溫超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)，激發(fā)了研究者對(duì)鎳基超導(dǎo)家族更廣泛的興趣。齊彥鵬組與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室郭漢杰研究員合作，利用光學(xué)浮區(qū)爐成功生長(zhǎng)出高質(zhì)量的RP 相三層鎳氧化物 La₄Ni₃O₁₀單晶。在約56 GPa 的高壓下，該單晶樣品呈現(xiàn)出臨界溫度約為 25 K 的超導(dǎo)電性（空間群為 I4/mmm）。隨著壓力的增加，電阻率異常所指示的密度波序被逐漸抑制，隨后超導(dǎo)態(tài)出現(xiàn)（圖2）。磁化率測(cè)量證實(shí)了塊體超導(dǎo)的存在，且其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)超過(guò) 80%。理論分析揭示反鐵磁超交換相互作用可作為高壓下 La₄Ni₃O₁₀中超導(dǎo)配對(duì)的有效媒介。相較于La₃Ni₂O₇，三層結(jié)構(gòu)的La₄Ni₃O₁₀展現(xiàn)出明顯的配對(duì)阻挫效應(yīng)。La₄Ni₃O₁₀是繼La₃Ni₂O₇ 之后發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)高溫超導(dǎo)鎳氧化物體系，為研究RP 結(jié)構(gòu)鎳氧化物中的非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)制提供了新的平臺(tái)。

圖2：La₄Ni₃O₁₀單晶在壓力下的超導(dǎo)電性

上述工作發(fā)表于國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論X》（Physical Review X），并入選高被引論文。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。上?？萍即髮W(xué)與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)培博士生張明鑫，上海科技大學(xué)裴翠穎副研究員、上海前瞻物質(zhì)科學(xué)研究院彭帝博士、清華大學(xué)博士生杜憲、上海科技大學(xué)博士生胡偉雄與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室博士生曹延濤為共同第一作者，上?？萍即髮W(xué)齊彥鵬教授、清華大學(xué)楊樂(lè)仙教授，上海科技大學(xué)顏世超教授、北京高壓科學(xué)研究中心曾橋石研究員、北京理工大學(xué)楊帆教授與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室郭漢杰研究員為共同通訊作者。

論文標(biāo)題：Superconductivity in Trilayer Nickelate La₄Ni₃O₁₀ under Pressure

論文連接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.15.021005

高壓下Pr₄Ni₃O₁₀超導(dǎo)電性與電子結(jié)構(gòu)

高壓下鎳氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，為理解高溫超導(dǎo)機(jī)制開(kāi)辟了新視角，迄今研究主要集中于鑭（La）系RP 相材料。探索新型RP鎳氧化物超導(dǎo)體對(duì)于揭示其非常規(guī)超導(dǎo)的普遍性至關(guān)重要。在鐠（Pr）鎳氧化物單晶 (Pr₄Ni₃O₁₀) 中，研究團(tuán)隊(duì)觀(guān)測(cè)到了壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)現(xiàn)象。當(dāng)壓力超過(guò)10 GPa時(shí)，該材料發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，T_c 可達(dá)39 K，且未見(jiàn)飽和跡象。該臨界溫度顯著超過(guò)了鑭鎳氧化物 (La₄Ni₃O₁₀) 所報(bào)道的25~30 K紀(jì)錄。與La₄Ni₃O₁₀不同，高壓下Pr₄Ni₃O₁₀的電子結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出兩個(gè)鮮明特征（圖3）：(1) 由三個(gè)鎳原子 dz2 軌道構(gòu)成的σ鍵合能帶發(fā)生顯著的金屬化轉(zhuǎn)變；(2) dx2?y2 軌道構(gòu)成的耦合能帶在費(fèi)米能級(jí)附近形成范霍夫奇點(diǎn) (van Hove singularity)。這些電子特征與雙層鑭鎳基超導(dǎo)體La₃Ni₂O₇相似。這些發(fā)現(xiàn)揭示了鎳基高溫超導(dǎo)體與多層銅氧化物高溫超導(dǎo)體在晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)上存在關(guān)鍵共性特征，為理解高溫超導(dǎo)的物理機(jī)制提供了重要的統(tǒng)一性線(xiàn)索。

上述工作發(fā)表于《中國(guó)科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)（英文版）》（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy）。上海科技大學(xué)為第一完成單位。上?？萍即髮W(xué)裴翠穎副研究員、上?？萍即髮W(xué)與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)培博士生張明鑫、上海前瞻物質(zhì)科學(xué)研究院彭帝博士、上?？萍即髮W(xué)博士后沈陽(yáng)、北京工業(yè)大學(xué)皇甫尚雄為文章共同第一作者，上?？萍即髮W(xué)齊彥鵬教授、張廣銘教授、北京高壓科學(xué)研究中心曾橋石研究員、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室郭漢杰研究員和北京工業(yè)大學(xué)索紅莉教授為共同通訊作者。

論文標(biāo)題：Unveiling pressurized bulk superconductivity in a trilayer nickelate Pr₄Ni₃O₁₀ single crystal

論文連接：https://www.sciengine.com/SCPMA/doi/10.1007/s11433-025-2852-4

圖3：Pr₄Ni₃O₁₀單晶在壓力下的電子結(jié)構(gòu)與費(fèi)米面

鎳基高溫超導(dǎo)各向異性研究

超導(dǎo)材料的上臨界磁場(chǎng)及其各向異性是揭示超導(dǎo)機(jī)理的核心參數(shù)。然而，RP型鎳氧化物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變需在高壓下實(shí)現(xiàn)，其極高的上臨界磁場(chǎng)使各向異性研究面臨巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。為克服此難題，團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了低溫高壓原位旋轉(zhuǎn)裝置，成功實(shí)現(xiàn)了高壓下的角度依賴(lài)輸運(yùn)測(cè)量。利用該裝置，在50.2 GPa高壓下對(duì)Pr₄Ni₃O₁₀單晶進(jìn)行了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角測(cè)量。其上臨界磁場(chǎng)的各向異性參數(shù)γ僅為1.6，顯著低于銅基超導(dǎo)體（如Bi-2212的γ ≈ 60）和鐵基超導(dǎo)體（如KFe₂Se₂的γ ≈ 6.8）。該γ值隨溫度升高單調(diào)下降，在臨界溫度T_c附近趨近于1（即各向同性極限），呈現(xiàn)出典型的三維（3D）超導(dǎo)特征。值得關(guān)注的是，盡管Pr₄Ni₃O₁₀與銅基超導(dǎo)體具有相似的準(zhǔn)二維四方晶格，但其與鐵基超導(dǎo)材料具有類(lèi)似的弱超導(dǎo)各向異性（圖4）。這不僅首次證實(shí)了塊體RP結(jié)構(gòu)鎳氧化物中的弱超導(dǎo)各向異性，且闡明了其微觀(guān)物理機(jī)制，為理解高溫超導(dǎo)中維度效應(yīng)的調(diào)控機(jī)制提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

上述成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society)。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位和通訊單位。上海科技大學(xué)副研究員裴翠穎博士，博士后沈陽(yáng)，北京高壓科學(xué)研究中心副研究員彭帝博士，上?？萍即髮W(xué)與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)培博士生張明鑫為共同第一作者，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院齊彥鵬教授、張廣銘教授，北京高壓科學(xué)研究中心曾橋石研究員，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室郭漢杰研究員為共同通訊作者。

論文標(biāo)題：Weakly Anisotropic Superconductivity of Pr₄Ni₃O₁₀ Single Crystals

論文連接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c17977

圖4：Pr₄Ni₃O₁₀及典型高溫超導(dǎo)材料的各向異性

此外，齊彥鵬課題組還積極與國(guó)內(nèi)科研單位廣泛合作，在鎳基超導(dǎo)方向取得了多項(xiàng)合作成果，包括鎳氧化物的角分辨光電子能譜測(cè)量（與清華大學(xué)楊樂(lè)仙課題組合作，齊彥鵬教授為共同通訊作者，Chin. Phys. Lett. 2024, 41: 087402，Phys. Rev. Lett. 2025, 135: 146506），鎳氧化物多晶的氧壓退火對(duì)超導(dǎo)物性的影響研究（與山東大學(xué)張俊杰課題組合作，齊彥鵬教授為共同通訊作者，J. Solid State Chem. 2025, 125757）， 鎳基氧化物L(fēng)a₄Ni₃O₁₀單晶的μSR測(cè)量（與松山湖郭漢杰課題組合作，Phys. Rev. B 2025, 112: 174423）等，相關(guān)三層鎳基氧化物超導(dǎo)進(jìn)展綜述發(fā)表在《物理學(xué)報(bào)》（Acta Phys. Sin., 2025, 74(22): 227402），上述系列研究成果為理解鎳基氧化物高溫超導(dǎo)機(jī)制提供了重要線(xiàn)索。