Усиленная сверхпроводимость в сжимаемых двуслойных тонких пленках никелатов под давлением

Почему важно «сжимать» эти материалы

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество без сопротивления, что обещает сверхэффективные линии передачи энергии, более быструю электронику и мощные магниты. Но большинство известных сверхпроводников действуют только при очень низких температурах, что затрудняет их повседневное применение. Новый класс материалов на основе никеля, называемый двуслойными никелатами, недавно продемонстрировал сверхпроводимость при температурах выше точки кипения жидкого азота при сжатии высоким давлением. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: можно ли ещё больше улучшить сверхпроводимость, сочетая заранее заданную деформацию подложки с внешним давлением в ультратонких плёнках никелата?

Создание тонкого «сэндвича» из атомов

Исследователи сконструировали тонкую «сэндвич»-структуру из двух близких по составу слоёв никелата на кристаллической подложке. В одном слое присутствуют лантан, празеодим и никель; в другом добавлено небольшое количество стронция. Такая структура испытывает внутри-плоскостное сжимающее напряжение от подложки SrLaAlO₄, которое слегка «сжимает» плёнку в плоскости и растягивает её по вертикали. Рентгеновские измерения подтвердили, что решётка плёнки примерно на 2% сжата в плоскости и примерно на 1,5% удлинена по вертикали, формируя устойчивую двуслойную структуру всего в несколько элементарных ячеек толщиной. Транспортные измерения показали, что при атмосферном давлении эти пленки являются металлическими и переходят в сверхпроводящее состояние с температурами начала перехода примерно от 21 до 34 К, причём эти характеристики остаются удивительно стабильными даже после месяца на воздухе.

Поворачивая ручку давления для улучшения свойств

Чтобы понять, как давление влияет на сверхпроводимость, команда сжимала плёнки, используя два типа высокодавящих ячеек, достигая до 13 гигапаскалей — более чем в 100 000 раз превышающего атмосферное давление. При умеренных давлениях до примерно 2,6 ГПа сопротивление в нормальном (нессверхпроводящем) состоянии снизилось, а температура начала сверхпроводящего перехода стабильно поднялась с примерно 29 К до около 35 К.

От хорошего металла к слабо-изолирующему состоянию

Давление также изменило поведение пленок непосредственно выше сверхпроводящего перехода. При низких давлениях пленки демонстрировали металлическое поведение, с сопротивлением, плавно увеличивающимся с температурой. По мере роста давления выше примерно 9 ГПа нормальное состояние при низких температурах начало напоминать слабо-изолирующее: сопротивление начало возрастать при снижении температуры, следуя медленному логарифмическому тренду. Этот переход от металлического к слабо-изолирующему поведению произошёл практически при том же давлении, где температура сверхпроводящего перехода достигла максимума и затем пошла на убыль. Авторы утверждают, что эта необычная изолирующая тенденция является внутренним свойством сжатых двуслойных плёнок с деформацией и, вероятно, связана с возникающими электронными нестабильностями, такими как порядок, похожий на плотностную волну, а не просто с дефектами или повреждениями, вызванными рабочей средой давления.

Что теория говорит о происходящем внутри

Чтобы понять микроскопическое происхождение этих изменений, команда провела продвинутые расчёты электронной структуры, адаптированные к плёнке, чья внутренняя плоскость решётки зафиксирована подложкой. В этой модели приложение давления в основном сокращает расстояние между двумя слоями никель‑кислород, а не изменяет углы связей в плоскости, как в объёмных кристаллах. По мере уменьшения вертикального расстояния плоская энергетическая полоса с сильным внеплоскостным орбитальным характером (так называемый γ-пакет) приближается к уровню Ферми и приобретает большую ширину, в то время как электроны перераспределяются между различными орбиталями никеля. Это усиливает гибридизацию между плоскостными и внеплоскостными орбиталями, увеличивает общую металлическую природу и усиливает магнитные спиновые флуктуации как внутри каждого слоя, так и между двумя слоями. Известно, что эти кооперативные эффекты обеспечивают «клей» для парообразования электронов в нетрадиционных сверхпроводниках, что естественно объясняет, почему температура сверхпроводящего перехода растёт с давлением, а затем насыщается, когда эти изменения выравниваются.

Что это означает для дальнейших шагов

Проще говоря, эта работа показывает: давление, приложенное к уже деформированным двуслойным никелатным плёнкам, создаёт более выгодную геометрию для сверхпроводимости — два активных слоя сближаются, их электроны сильнее перемешиваются, и магнитные флуктуации становятся более эффективными в связывании электронов в безпотерьные пары, несущие ток. В результате достигается существенное повышение температуры начала сверхпроводящего перехода примерно с 30 К до почти 50 К, вместе с ясными указаниями на то, как электронная структура эволюционирует под давлением. Эти наблюдения дают основания полагать, что при тщательном контроле деформации и давления — или при имитации их эффектов через химический дизайн — возможно продвинуть никелатные сверхпроводники к ещё более высоким рабочим температурам и приблизить их к практическим приложениям.

Цитирование: Li, Q., Sun, J., Bötzel, S. et al. Enhanced superconductivity in the compressively strained bilayer nickelate thin films by pressure. Nat Commun 17, 3276 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69660-1

Ключевые слова: сверхпроводники на основе никелата, тонкие пленки, высокое давление, инжиниринг деформаций, электронные корреляции