中国极端条件大科学装置助力 镍基高温超导研究获重要进展
合作团队充分发挥综合极端条件实验装置独特实验测量技术的优势，在镨掺杂的双镍氧层钙钛矿材料多晶样品中，同时提供了高压下实现块体高温超导电性的零电阻和完全抗磁性两个关键实验证据，澄清了目前镍基高温超导电性起源和体超导的争议问题，并揭示出微观结构无序对高温超导电性的不利影响。
综合极端条件实验装置的六面砧高压实验站和强磁场核磁共振实验站的实物照片，以及镨掺杂的双镍氧层钙钛矿材料多晶样品的高压结构演化和超导相图。中国科学院物理研究所/供图
高温超导领域的这项重要研究进展成果论文，北京时间10月2日夜间在线发表于国际著名学术期刊《自然》。该研究工作对于镍基高温超导材料的进一步优化设计与合成具有重要指导作用，将推动镍基高温超导体的研究进程。
合作团队介绍，高温超导体由于在变革性技术方面具有巨大的应用前景而备受关注，发现新的高温超导体系并揭示其物理机制是超导领域的研究前沿。2023年，中国学者发现双镍氧层钙钛矿材料单晶在高压下具有高温超导电性的迹象，掀起镍基高温超导的研究热潮。随后，中国学者在该体系中成功观察到零电阻态，但关于其完全抗磁性的实验证据仍然缺乏。
此外，实验研究显示双镍氧层钙钛矿材料单晶样品由于稳定生长的氧压范围很窄，容易出现化学组分不均匀、内顶角氧空位以及多种镍氧化物共存等问题，这造成目前关于双镍氧层钙钛矿材料中高温超导电性的起源以及能否实现体超导态(完全抗磁性)等核心科学问题仍存在争议，严重阻碍了镍基高温超导体的研究进程。
为此，研究团队这次调整思路将研究对象转向晶体质量更易控制的多晶样品，成功制备出单相性良好的具有双镍氧层结构的钙钛矿材料多晶样品，并在该样品中同时观测到零电阻和完全抗磁性。其研究结果表明，镍基高温超导电性起源于双镍氧层钙钛矿相。
在本项研究中，综合极端条件实验装置的六面砧高压实验站和强磁场核磁共振实验站发挥出关键作用。其中，六面砧实验站提供的大腔体高静水压环境，有效克服了镍基超导材料对非静水压环境异常敏感而无法实现零电阻的难题；强磁核磁共振实验站提供了一种定量确定样品中不同镍氧化物相比例以及界面等微观结构无序的方法。
据了解，综合极端条件实验装置是中国国家重大科技基础设施，已建成国际先进的集极低温、超高压、强磁场和超快光场等综合极端条件为一体的用户实验装置，可极大提升中国在物质科学及相关领域的基础研究与应用基础研究综合实力。该大科学装置(北京部分)于2017年开始动工，2023年初全面投入试运行，20个实验站对中外用户开放。
中国科学院物理研究所表示，综合极端条件实验装置提供的高压、低温和磁场等极端实验条件，目前已助力中国科研用户在多种镍氧层钙钛矿材料中相继发现高压诱导的高温超导电性，未来将继续为新型高温超导材料的探索与机理研究提供重要支持。(完)
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