王猛教授团队发现新型结构镍氧化物超导体
2023年，王猛教授团队在双层Ruddlesden–Popper（RP）相La3Ni2O7中发现压力下80 K 的超导电性，开辟了一类新型高温超导体体系——镍氧化物高温超导体[Nature 621, 493 (2023)]。在这类RP相层状材料中，何种结构特征决定了超导转变温度的高低，是该领域聚焦的关键科学问题。除双层结构外，拥有相同化学组分的La3Ni2O7还存在另外一种以单层-三层NiO6模式交替堆叠的结构，即“1313”相。研究1313相和双层La3Ni2O7中的超导电性的异同对于理解镍氧化物超导体中决定超导转变温度的机制至关重要。
1313相La3Ni2O7晶体的合成存在巨大挑战。中山大学物理学院王猛教授团队经过多年持续研究，成功使用高压光学浮区法生长了高质量的1313纯相La3Ni2O7单晶样品。经过X射线衍射、劳厄衍射及扫描透射电镜等表征，团队验证了单晶样品的质量和纯度。常压下1313相La3Ni2O7表现为弱绝缘性，且在185 K附近存在可能的自旋密度波转变。高压同步辐射X射线衍射及拉曼散射共同验证了1313相La3Ni2O7在13 GPa附近发生的由正交晶系向四方晶系的结构相变。
随后，团队基于自主搭建的高压实验平台，对1313相La3Ni2O7的高压电输运性质进行了系统研究（图1）。在19 GPa以上压力下，1313相La3Ni2O7出现超导转变，其转变温度为3.6 K，且在24.3 GPa以上测量到零电阻现象。该超导转变温度显著低于双层La3Ni2O7中的80 K转变温度。随着压力继续增大至35 GPa，超导转变温度几乎保持不变。施加磁场可显著抑制超导电性，通过拟合得到上临界场约为1 T。超导转变的起始压力与结构相变压力的分离，与双层La3Ni2O7中超导与结构相变在同一压力下同时发生的情况不同，证明了180°的层间Ni-O-Ni键角对超导电性的关键作用。
图1 1313相La3Ni2O7压力下的超导电性
图2总结了1313相La3Ni2O7压力下结构和电输运性质的完整相图。通过系统比较不同RP相镍氧化物超导体的超导转变温度及压力下层内、层间NiO6八面体的间距，该工作揭示了层间交换关联强度对镍氧化物超导转变温度的决定性作用，并强调双层NiO6八面体构型为实现较高超导转变温度的关键结构。研究结果拓展了 RP 相镍氧化物超导体的材料体系，也加深了对调控镍氧化物超导转变温度的物理机制的理解。
图2 1313相La3Ni2O7压力下结构和电输运性质的完整相图
该成果以“Superconductivity in Monolayer-Trilayer Phase of La3Ni2O7 under High Pressure”为题发表于物理学著名期刊Physical Review X [Physical Review X 16, 031072 (2026)]。本项工作由中山大学物理学院王猛教授团队、中山大学理学院孙华蕾副教授团队、中国科学院物理研究所陈震研究员团队合作完成，中山大学物理学院黄潮欣博士为第一作者，已毕业博士研究生李婧嫄为共同第一作者。高压X射线衍射研究于北京同步辐射光源ID31高压线站完成，南方科技大学朱金龙研究员为高压拉曼散射实验提供了气体加载技术支持。研究工作得到国家自然科学基金委、科技部、教育部、广东省、广州市、深圳市等科技计划项目支持，主要工作依托广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心和中山大学物理学院公共科研平台开展。
