Структурные изменения в тонких плёнках дилексированного двуслойного никелата

Почему изменение формы кристалла важно

Сверхпроводники способны проводить электрический ток без потерь в виде тепла, но большинство из них работает лишь при очень низких температурах. Новое семейство материалов на основе никеля демонстрирует неожиданно высокие температуры сверхпроводимости, что даёт надежду на более эффективные энергосистемы, магниты и электронику. В этом исследовании учёные подробно изучают конкретное никелевое соединение La3Ni2O7, выращенное в виде ультратонких плёнок, чтобы понять, как именно сжатие или растяжение кристалла меняет атомную структуру и, соответственно, его способность становиться сверхпроводящим.

Как заставляют тонкие плёнки «чувствовать» сжатие или растяжение

Команда выращивала очень тонкие слои La3Ni2O7 на различных подложках, которые естественным образом заставляют плёнку растягиваться или сжиматься в плоскости слоя. Некоторые подложки слегка раздвигают плёнку, создавая тангенциальное (растягивающее) напряжение, в то время как другие сжимают её, создавая компрессионное напряжение. Тщательно подбирая подложки, исследователи получили ряд плёнок от сильно сжатых до сильно растянутых. Затем они измеряли, насколько легко каждая плёнка проводит электричество при понижении температуры. Признаки сверхпроводимости наблюдались только у наиболее сильно сжатых плёнок, тогда как умеренно сжатые оставались металлическими, а растянутые — переходили в изолирующее состояние.

Наблюдение сдвигов на триллионные доли метра

Чтобы понять, почему сжатие столь важно, исследователи использовали передовые методы электронной микроскопии, которые позволяют определять положения атомов с точностью в несколько триллионных долей метра. Ключевым методом стала мультисрезовая электронная пиктография, позволившая увидеть не только тяжёлые атомы лантана и никеля, но и гораздо более лёгкие атомы кислорода, окружающие никель в виде малых октаэдрических «клеток». Отслеживая, как в серии плёнок с разной деформацией изгибаются и растягиваются связи никель–кислород, они обнаружили, что компрессионное напряжение делает эти клетки более симметричными в плоскости плёнки, тогда как растяжение приводит к более неравномерному распределению углов связей.

Симметрия в плоскости, свобода вне плоскости

Измерения выявили важное отличие между геометрией плёнок и поведением объёмных кристаллов под высоким давлением, в которых сверхпроводимость была впервые обнаружена в этом материале. В обоих случаях межатомные расстояния в плоскости сокращаются схожим образом при появлении сверхпроводимости. Однако в тонких плёнках межслоевые расстояния в вертикальном направлении фактически увеличиваются при сжатии, тогда как в объёмных кристаллах они уменьшаются под давлением. Детальный анализ длин связей никель–кислород показал, что внеплоскостные связи удлиняются в сверхпроводящих плёнках, несмотря на то, что общий объём элементарной ячейки при этом всё же снижается. Этот результат указывает на то, что сжатие в плоскости слоя важнее, чем сближение слоёв по вертикали, оспаривая прежние предположения о том, что главным фактором является вертикальное сжатие.

Выделение иерархии искажений, которые имеют значение

Чтобы выйти за пределы визуального анализа, исследователи разработали теоретическую схему, разбивающую сложные искажения кислородных октаэдров на более простые составляющие: изменения длины связей, изменения внутренних углов и жёсткие повороты октаэдров. С помощью суперкомпьютерных расчётов они оценили, как каждый тип искажения влияет на электронные зоны, в которых живут носители заряда. Оказалось, что изменения длины связей в основном смещают энергетические уровни вверх или вниз, тогда как повороты играют особую роль в «очищении» низкоэнергетических зон за счёт уменьшения нежелательного смешивания определённых орбиталей никеля. В как сверхпроводящих плёнках, так и в объёмных кристаллах под давлением более высокая симметрия октаэдров и специфические схемы вращений связывались с более упорядоченным электронным ландшафтом, что, как полагают, способствует сверхпроводимости.

Что это значит для будущих сверхпроводников

В сумме, работа показывает: не всё давление одинаково — тщательно спроектированное сжатие в плоскости и повышенная симметрия в сети никель–кислород, по-видимому, являются общими компонентами, поддерживающими сверхпроводимость в La3Ni2O7 как в объёмных кристаллах, так и в тонких плёнках. Прямо связывая структурные изменения на пикотометровом уровне с изменениями электронных свойств, исследование предлагает дорожную карту для проектирования и настройки сверхпроводников следующего поколения — не только в никелатах, но и во многих оксидных материалах, где крошечные сдвиги в расположении атомов могут оказывать непропорционально большое влияние на проводимость электричества.

Цитирование: Bhatt, L., Abarca Morales, E., Jiang, A.Y. et al. Structural modifications in strain-engineered bilayer nickelate thin films. Nature 653, 76–82 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10446-2

Ключевые слова: никелатные сверхпроводники, управление деформацией, тонкие плёнки, электронная микроскопия, кристаллическая структура