应变工程双层镍酸盐薄膜中的结构改性

为何改变晶体形状至关重要

超导体能够在不以热的形式损耗能量的情况下传导电流，但大多数超导材料只在极低温下工作。一类基于镍的新材料展现出出人意料的较高超导温度，令更高效的电网、磁体与电子器件成为可能。在这项工作中，研究者聚焦于一种特定的镍化合物 La3Ni2O7，以超薄膜形式生长，观察挤压或拉伸晶格如何改变原子结构，进而影响其成为超导体的能力。

让薄膜感受被挤压或拉伸

研究团队在不同的基底上生长了极薄的 La3Ni2O7 薄层，这些基底天然会强制薄膜在层平面内发生拉伸或压缩。有些基底使薄膜略微被拉开，产生张应变；另一些则将其压缩，产生压应变。通过精心选择基底，研究者制备出一系列从强压缩到强拉伸的薄膜。他们随后测量了各薄膜在降温时传导电流的容易程度。只有最强压缩的薄膜显示出超导的迹象，而中度压缩的薄膜保持金属性，拉伸的薄膜则变为绝缘体。

以万亿分之一米尺度观察原子位移

为弄清压缩为何如此重要，研究者使用了先进的电子显微技术，可将原子位置精确确定到仅几万亿分之一米的量级。一种关键方法是多切片电子相位照相（multislice electron ptychography），它让他们不仅能看到较重的镧和镍原子，还能分辨围绕镍形成的小八面体笼中的轻氧原子。通过绘制镍—氧键在一系列应变薄膜中的弯曲与伸展情况，他们发现压缩应变使这些八面体在薄膜平面内更加对称，而张应变则导致键角呈现更不均匀的模式。

平面中的对称性，平面外的自由度

测量结果揭示了薄膜几何与早期在高压下发现超导性的块体晶体之间的重要对比。在两种情况中，随着超导出现，面内原子之间的距离都以相似的方式缩短。然而，在薄膜中，沿垂直方向的层间距在压缩时实际上增大，而在块体晶体受压时则减小。对镍—氧键长的详细分析显示，尽管整体晶胞体积仍在减小，但超导薄膜的平面外键变得更长。该结果表明，压缩层内平面比将层间推得更近更为关键，这挑战了此前认为垂直方向压缩是主要驱动因素的假设。

分辨出哪些畸变最重要

为了超越目视观察，研究者建立了一个理论框架，将氧八面体的复杂畸变分解为更简单的构件：键长变化、内部角度变化和八面体的刚性旋转。他们利用超级计算机计算，考察每种畸变如何影响载流子所在的电子能带。结果显示，键长变化主要将能级上下移动，而旋转在“净化”低能带方面起到特殊作用，通过减少某些镍轨道的非期望混合来改善能带结构。在超导薄膜和受压块体晶体中，更高的八面体对称性和特定的旋转模式都与更清晰的电子能景相关联，而这被认为有利于超导性。

这对未来超导体意味着什么

综合来看，该研究表明并非所有压力都等同：精心设计的面内压缩和镍—氧网络的对称性似乎是支持 La3Ni2O7 超导性的共同要素，无论是在块体晶体还是薄膜中。通过直接将皮米级的结构微调与电子行为变化联系起来，这项工作为设计和调控下一代超导体提供了路线图，不仅针对镍酸盐，也适用于许多氧化物材料，在这些材料中原子排列的细微变化可对电流的流动产生巨大影响。

引用: 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

关键词: 镍酸盐超导体, 应变工程, 薄膜, 电子显微镜, 晶体结构