无限层钐镍酸盐薄膜中的增强超导性与混合维行为

为什么晶体收缩很重要

超导体——能以零电阻传输电流的材料——有望实现无损耗电网、超高速电子器件和强大磁体。已知的大多数超导体仅在极低温下工作，而且科学家仍未完全弄清为何某些化合物的性能优于其他。本文探讨了一个热门研究家族中的新成员：类似著名铜氧化物（铜酸盐）的基于镍的超导体。作者表明，通过精细压缩钐镍酸盐薄膜的晶体结构，可以提高其超导转变温度，甚至改变电子在材料中的运动方式。

构建新的超薄超导体

研究者关注“无限层”镍酸盐，这类化合物中镍与氧形成平面、重复的层，由稀土原子（如钐、铕、钙和锶）分隔。这些材料难以制备，尤其是使用较小的稀土元素时。团队在精心挑选的 LSAT 晶体衬底上采用脉冲激光沉积生长出约仅 9 纳米厚的超薄薄膜，然后通过受控化学还原步骤将其转化为超导的无限层相。他们制备出了相纯的钐基镍酸盐，包括先前未被证明为超导体的 Sm_1−xSr_xNiO₂。

晶格间距如何提升超导性

通过在钐中掺入不同比例的锶、钙与铕，团队能够微调稀土离子的平均尺寸，从而改变晶体沿垂直（c 轴）方向镍–氧层之间的间距。X 射线衍射与原子分辨率电子显微镜确认薄膜结构洁净，且 c 轴间距可被压缩到约 3.26 埃——这是该家族材料中报道的较小数值之一。传输测量显示，这些被压缩的结构达到了最高约 32.5 开尔文的超导转变温度，高于许多早期的镍酸盐薄膜。当作者将其结果与基于镧、镨和钕的镍酸盐数据进行比较时，出现了一个宽泛趋势：随着整个家族 c 轴距离的收缩，超导温度呈上升倾向。

介于二维与三维之间的电子行为

层状材料中的超导性通常被认为本质上是二维的，电子主要在平面内流动。然而，这里的情况更为复杂。作者在不同角度施加强磁场并追踪超导性如何消失，结果既不符合纯二维模型，也不符合纯三维模型。相反，数据揭示出一种混合的“2D/3D”行为：电子在平面内仍高度移动，但层间也存在显著的联结。随着薄膜中铕含量的增加，对磁场的响应显示出更强的三维成分，表明层间耦合得到了增强。

磁性、轨道混合与异常的场效应

铕不仅带来更小的离子半径——它还具有强烈的局域磁矩。在含铕样品中，研究者观察到显著的负磁阻：在超导转变温度略上方施加磁场实际上降低了电阻，尽管这种磁场通常会削弱超导性。这一行为与稀土层中的磁矩在磁场作用下定向后，对传导电子的散射减少相一致。共振非弹性 X 射线散射实验进一步显示，镍 3d 轨道与稀土 5d 轨道之间（尤其是指向层外的那些轨道）的混合增强。这种增强的轨道杂化为晶格收缩和特定稀土离子的选择如何加强层间电子联系提供了微观图景。

更好超导体的设计准则

综述这些结果，研究指出了未来镍酸盐超导体的明确设计原则。使用较小的稀土离子以减小镍–氧层间距，往往能提高超导转变温度，可能是通过强化层间耦合以及镍与稀土轨道之间的耦合实现的。同时，像铕这样的磁性离子可以引入新颖的磁场响应并将体系推向更三维的超导性。对非专业读者而言，核心信息是：将晶格视为可调的支架——调节其间距、组成和磁性特征——研究者可以系统地将镍酸盐材料推向更高温度和更奇异形式的超导状态。

引用: Yang, M., Wang, H., Tang, J. et al. Enhanced superconductivity and mixed-dimensional behaviour in infinite-layer samarium nickelate thin films. Nat Commun 17, 2761 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69650-3

关键词: 镍酸盐超导体, 薄膜材料, 晶格调控, 高温超导, 量子材料