南京大学南京大学闻海虎、李庆合作团队发现压力显著增强镍基薄膜中的超导电性

近日，南京大学闻海虎教授小组与中科院物理所程金光研究员小组和德国波鸿鲁尔大学Ilya M. Eremin教授合作，在镍氧化物高温超导薄膜压力调控研究方面取得重要进展。研究团队利用等静压环境下薄膜原位测量技术结合理论计算，发现压力下压缩应变可以显著增强镍基薄膜中超导转变温度，揭示了层间与层内多轨道耦合的协同作用对提高镍基超导电性的关键影响。

2023年，中山大学王猛教授团队与合作者发现双层镍氧化物La₃Ni₂O₇单晶在20万左右的大气压压力下存在超导转变，其临界温度(T_c)达到液氮温度，此发现引起了全球超导研究领域的广泛关注。然而，块体材料必须要在高压（大于10万大气压）环境下才能实现超导，对相关物理问题的深入研究造成了很大的限制。随后，研究人员通过晶格常数较小的基底带来的面内压缩应变，在SrLaAlO₄(SLAO)衬底上制备的镍基La₃Ni₂O₇薄膜中实现了常压下的超导，其起始转变温度超过40 K，为常压下镍基超导机制研究开辟了新路径。然而，常压下镍基薄膜材料中的超导T_c显著低于高压下块材中的值。薄膜中较低的超导转变温度是否是由于基底的压应力使薄膜c轴晶格参数被拉伸，进而导致层间耦合减弱导致？薄膜中的超导T_c是否会随着c轴晶格参数的进一步压缩而提升？对上述相关问题的研究对理解双层镍氧化物中高温超导的配对机理至关重要。

为了对上述科学问题进行深入研究，首先需要制备得到环境条件下稳定的镍基超导薄膜。早期的研究发现镍基超导薄膜在大气环境中超导性能急剧退化，限制了对其进一步研究。闻海虎教授小组利用脉冲激光沉积技术，在SLAO基底上沉积了双层结构镍基超导薄膜。为了提高超导薄膜的稳定性，团队成员创新性地设计了(La,Pr)₃Ni₂O₇/(La,Sr)₃Ni₂O₇的异质结结构，如图1(a)所示。研究发现具有上述异质结结构的双层镍基薄膜的稳定性大大提高，在大气环境中放置超过1个月后其超导转变基本没有变化。

图1. (a) 创新性设计的(La,Pr)₃Ni₂O₇/(La,Sr)₃Ni₂O₇异质结结构可以显著提升镍基超导薄膜的稳定性，图示为该异质结的晶体结构示意图；(b) 双层RP相镍基超导薄膜的压力-超导相图，压力下薄膜的T_c可以被显著提升。

随后，研究团队在常压已经出现超导的镍基薄膜中进一步引入静水压调控，发现超导转变温度随外加压力的施加单调增强。在常压下，该薄膜的T_c^onset约为30 K；随着压力增加，在7 GPa时达到48.5 K，最高初始超导转变温度可以达到61.5 K（@9 GPa）。随后超导电性随着压力的进一步增加达到饱和，并轻微降低，展示出“穹顶”状的超导相图，如图1(b)中相图所示。上述结果表明，基底应力与外加压力协同作用，可以在保持超导的同时显著增强超导配对强度，说明薄膜样品和块体材料中超导T_c的差异主要还是晶格结构上的不同导致的。更为重要的是，正常态输运研究发现，在更高压力下超导转变温度以上的电阻行为从金属性向弱绝缘行为转变。理论计算研究发现压力下双层镍酸盐费米面附近的γ空穴口袋变化明显，并且3dx2−y2和3dz2轨道的杂化在压力下增强，进而增强了层内与层间的磁涨落协同效应，促进超导转变温度的提高。上述研究工作发现层间与层内多轨道电子关联之间的竞争与协同，是决定双层镍酸盐超导T_c的核心机制，为后续通过精细调控电子结构与关联效应设计更高T_c镍酸盐超导体提供了关键线索。

相关成果近期以“Enhanced superconductivity in the compressively strained bilayer nickelate thin films by pressure”为题发表于《自然·通讯》上【Nat. Commun. 17, 3276 (2026)】。南京大学物理学院李庆助理教授、中科院物理所孙建平研究员和德国波鸿鲁尔大学Steffen Bötzel博士为论文的第一作者，超导薄膜由欧梦军博士和王逸博士研究生制备，闻海虎教授、Eremin教授和程金光研究员为共同通讯作者。此工作得到了自然科学基金委、国家重点研发计划、教育部双一流学科建设、固体微结构物理全国重点实验室、2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69660-1