在凝聚態物理學界，高溫超導一直被譽為“皇冠上的明珠”，但其背后的物理機制仍是一個懸而未決的難題。7月17日，復旦大學趙俊團隊及合作者利用高溫高壓光學浮區爐HKZ系列成功生長了三層鎳氧化物La4Ni3O10高質量單晶樣品，證實了鎳氧化物中具有壓力誘導的體超導電性 (bulk superconductivity)，其超導體積分數高達86%。研究還發現該類材料呈現出奇異金屬和獨特的層間耦合行為，為人們理解高溫超導機理提供了新的視角和平臺。
該成果以“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals”為題發表于《Nature》上[1]。
復旦大學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La4Ni3O10-δ單晶中的自旋電荷序，在69 GPa壓力下，超導臨界溫度達到30 K。直流磁化率測量證實了顯著的抗磁響應，其超導體積分數高達86%，證實了鎳氧化物的體超導性質。同時，在正常態還觀察到一種奇異的金屬行為，其電阻溫度依賴線性關系延伸至300 K。此外，實驗發現三層結構的La4Ni3O10-δ的Tc比雙層結構的La3Ni2O7要低，這種不同于銅酸鹽超導電性的超導層數依賴關系表明了鎳酸鹽特有的層間耦合機制。趙俊團隊及合作者的發現建立了一個新的超導材料體系，可以促進人們對自旋電荷序、平帶結構、層間耦合、奇異金屬行為和高溫超導之間的復雜相互作用進行更深入的探索，在揭示新現象和推動人們對高溫超導體的理解方面具有重要的意義。
本文生長的La4Ni3O10-δ高質量單晶樣品均采用德國ScIDre公司推出的高溫高壓光學浮區爐HKZ系列，涉及到的晶體生長工藝參數為：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]
高溫高壓光學浮區爐
德國ScIDre公司推出的HKZ系列高溫高壓光學浮區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浮區法單晶爐、高壓氧氣氛退火爐引進中國，更好的為中國晶體生長領域的發展提供設備支持和技術服務。
ScIDre單晶爐特點
? 采用垂直式光路設計
? 采用高照度氙燈，多種功率規格可選
? 采用光闌控制技術，加熱功率從0-100%可調
? 熔區溫度：高達2000 - 3000℃（具體取決于材料和配置）
? 熔區氣壓：10bar、50bar、100bar、150bar、200bar、300 bar可選
? 熔區氣氛：Ar、O2、N2、混合氣等可選
? 不同真空環境可選：10-2mbar或 10-5 mbar
? 豐富的可升級選件
高溫高壓光學浮區法單晶爐外觀圖
此外，在這項工作中，La4Ni3O10-δ單晶材料的電學和磁學等性質的部分數據測量采用的是美國Quantum Design公司的完全無液氦綜合物性測量系統-DynaCool和全新一代磁學測量系統-MPMS3。
完全無液氦綜合物性測量系統
DynaCool是一款集成全自動的磁學、電學、熱學和形貌，甚鐵電和介電等各種物性測量的設備。該系統已經經歷了接近30年的歷史，在全球銷售安裝了1500余套，在中國地區也有近300套，幾乎遍布于任何低溫強磁場下物性表征的高端科學研究實驗室，助力了無數個重大科學發現。
完全無液氦綜合物性測量系統外觀圖
全新一代磁學測量系統
基于SQUID測量技術研發的MPMS3磁學測量系統因其磁性測量的高靈敏度備受科研工作者的歡迎。設備可同時提供變磁場測量環境和變溫度場測量環境，可廣泛應用于金屬、陶瓷、半導體、超導體、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。
全新一代磁學測量系統外觀圖
參考文獻：
[1]. Zhu, Y., Peng, D., Zhang, E. et al. Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10?δsingle crystals. Nature631, 531–536 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07553-3
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