通过施压增强受压应变双层镍酸盐薄膜的超导性

为什么对这些材料施压很重要

超导体是能够无电阻传导电流的材料，承诺实现超高效的电力输送、更快的电子器件和强大的磁体。但已知的大多数超导体仅在极低温下工作，这使它们难以在日常技术中应用。一类基于镍的新材料——双层镍酸盐——最近在高压下表现出超过液氮沸点的超导性。本研究提出了一个简单但重要的问题：通过将精心选择的基底应变与外加压力在超薄镍酸盐薄膜中结合，能否进一步提升超导性能？

构建一个精细的原子三明治

研究人员在晶体基底上工程化了由两层密切相关的镍酸盐组成的薄“夹心”结构。一层含有镧、镨和镍；另一层加入了少量钙化锶（应为锶）。该结构自然受到下方SrLaAlO₄基底的面内压缩应变作用，使薄膜在平面上略微被挤压、在垂直方向上被拉伸。X射线测量确认薄膜晶格在面内约压缩了2%，在垂直方向上约拉长了1.5%，形成仅几胞元厚的稳定双层结构。输运测量显示，在常压下这些薄膜表现为金属性并在大约21到34开尔文之间出现超导起始温度，而且即使在空气中放置一个月后仍相当稳定。

调高压力以提升性能

为了观察压力如何调控超导性，团队使用两种类型的高压腔对薄膜施压，达到高达13千兆帕（GPa），相当于大气压的一万多倍。在约2.6 GPa以内的适度压力下，常态（非超导）状态的电阻下降，超导起始温度稳步从约29 K上升到约35 K。

从良导体到弱绝缘体

压力还改变了薄膜在超导转变刚上方的行为。在较低压力下，薄膜表现为金属性，电阻随温度平滑上升。随着压力超过约9 GPa，低温常态开始呈现弱绝缘性：电阻在温度下降时开始缓慢上升，呈现对数趋势。金属性到弱绝缘性的这一交叉几乎发生在超导温度达到最大值并开始下降的同一压力附近。作者认为，这种不寻常的绝缘倾向是受强压缩作用下受应变的双层薄膜的一种固有特征，可能与新出现的电子不稳定性（例如类似密度波的有序）有关，而不是简单由压力介质造成的缺陷或损伤。

理论认为内部发生了什么

为了解这些变化的微观起源，团队对一个面内晶格被基底夹持的薄膜进行了先进的电子结构计算。在该模型中施加压力主要缩短了两层镍-氧层之间的距离，而不是像体材料那样改变面内键角。随着垂直间距收缩，一个具有强烈出平面轨道特征的平坦能带（所谓的γ口袋）向费米能级靠近并获得更大的带宽，同时电子在不同镍轨道之间发生重分布。这增强了面内与出平面轨道之间的杂化，提高了整体的金属性，并增强了层内与层间的磁自旋涨落。这些协同效应被认为为非常规超导体中的电子配对提供“胶水”，自然解释了为何超导温度随压力上升然后在这些变化趋于稳定后饱和。

对未来的意义

简而言之，这项工作表明，对已经受应变的双层镍酸盐薄膜施压能够为超导性提供更有利的几何构型：两个活性层彼此靠得更近，电子混合更强，磁涨落在将电子绑定成无损耗载流对方面变得更有效。结果是超导起始温度从约30 K显著提升到接近50 K，同时提供了关于电子结构如何随压力演化的明确线索。这些见解表明，通过精确控制应变和压力——或通过化学设计模拟它们的效应——有可能将镍酸盐超导体的工作温度进一步提升，从而更接近实际应用。

引用: 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

关键词: 镍酸盐超导体, 薄膜, 高压, 应变工程, 电子关联