Nature：超导，再获突破！

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编辑丨风云

研究背景

在铜氧化物超导体之后，寻找新型高温氧化物超导体一直是科研焦点。近期，双层RP镍酸盐La₃Ni₂O₇在高静水压下展现出超过80 K的超导转变温度，并在压缩外延薄膜中实现了40 K的超导。由于镍氧键合环境的微妙变化被认为是稳定超导的关键驱动力，揭示原子尺度的结构演化对于理解其超导机制至关重要。

关键问题

目前，原子尺度的结构演化研究主要存在以下问题：

1、高压下原子结构观测难题

虽然静水压能诱导超导，但现有的实验手段极难在高压原位环境下实现皮米级的原子结构表征，导致关键键合信息的缺失。

2、结构基元对超导贡献不明

目前尚不清楚究竟是哪种特定的结构基元（如键长、键角或旋转）主导了超导态的稳定，缺乏有效手段将耦合的结构畸变与电子态解耦分析。

新思路

有鉴于此，马普所Berit H. Goodge、康奈尔大学Lopa Bhatt等人使用多层电子叠层衍射（MEP）直接测量了通过选择衬底调节的、在广泛双轴应变范围内的La₃Ni₂O₇薄膜的原子级结构演化。通过分辨阳离子和氧子格，研究了原子键随应变的演化，从而有机会隔离和解耦特定结构基元对稳定超导性的影响。确定了在压缩应变下通过改变镍-氧八面体畸变来提升晶体对称性是超导性的关键结构要素，并确定了面内晶格压缩是块体和薄膜超导性的共同属性。基于MEP获得的详细结构，作者引入了一个理论框架来解耦角共享八面体中的耦合结构畸变，这表明La₃Ni₂O₇的两种已知超导几何结构（静水压力和压缩应变）都通过提高八面体对称性来抑制低能Ni带中的局部t_2g轨道混合。

技术方案：

1、研究了薄膜的电学特性与应变控制

研究人员在不同衬底上生长La₃Ni₂O₇薄膜，高压缩应变诱导常压超导，转变温度约42 K，证实应变引发结构重组是关键因素。

2、成功在实空间内分辨出La、Ni以及微弱的氧原子列

研究人员利用MEP技术发现，压缩应变使Ni-顶角氧键角趋于180°，晶体对称性提升，诱导类似块体高压相变，是稳定超导的关键。

3、揭示了晶格演化的奇特反转与面内压缩

研究人员发现薄膜压缩应变导致c轴扩张而非收缩，超导仍出现，表明面内晶格压缩和高八面体对称性才是超导共同结构基元，挑战了传统观点。

4、理清了各种结构变量对超导的影响

研究人员引入几何分解框架，发现八面体旋转消除驱动t_2g轨道成分"清理"，电子态趋于纯净e_g型，统一块体与薄膜机理，揭示应变调控对称性优化电子关联是关键路径。

技术优势：

1、首次实现了高精度原子成像技术应用

本文首次利用多层电子叠层衍射（MEP）技术，在皮米尺度上直接观测并量化了薄膜中轻元素（氧）的子格位置，克服了传统STEM成像的伪影限制。

2、提出了超导结构的通用基元

作者通过几何分解发现，提升八面体对称性并抑制低能带中的t_2g轨道混合，是块体高压超导与薄膜应变超导的共同物理起源。

技术细节

薄膜的电学特性与应变控制

研究人员通过在SLAO、LAO、NGO和STO等不同衬底上生长La₃Ni₂O₇薄膜，施加了从-2%到+1.9%的外延应变。实验发现，施加高压缩应变（衬底为SLAO）的薄膜在常压下即展现出超导特征，起始转变温度约为42 K，并在2 K左右达到零电阻。相比之下，生长在LAO和NGO上的薄膜表现出金属行为，而处于拉伸应变（衬底为STO）的薄膜则呈现绝缘态。这一对比实验不仅确证了压缩应变对超导的诱导作用，还证明了薄膜平台可以模拟块体在高压下的物理行为。通过对比PLD与MBE两种生长方法，结果显示超导性对生长细节并不敏感，关键在于应变引发的结构重组，这为后续的原子级结构分析奠定了样品的物理基础。

图  La₃Ni₂O₇薄膜在压应变和拉应变下的结构和电学变化

基于MEP的镍氧键对称性分析

利用多层电子叠层衍射（MEP），研究团队成功在实空间内分辨出La、Ni以及微弱的氧原子列。观测表明，在压缩应变下，Ni-顶角氧的键角趋于180°直线，且Ni-平面氧的畸变角在单层内呈现单向排列，标志着晶体对称性的提升。与之相反，在拉伸应变薄膜中，这些角度呈现交替排列，对称性较低。傅里叶变换图谱进一步验证了这一点：拉伸薄膜存在额外的超晶格峰，而压缩薄膜则消失，表明应变诱导了类似于块体从Amam向高对称性Fmmm或I4/mmm相的转变。这种对称性的提升被认为是稳定超导的关键，而 MEP 的定量测量揭示了平面内O-Ni-Ni角随应变增加而系统增大，为理论模型提供了精确的原子坐标。

图  La₃Ni₂O₇薄膜中Ni-O键角随外延应变的变化

晶格演化的奇特反转与面内压缩

研究揭示了薄膜应变与块体高压之间一个重要的结构差异：泊松效应引发的c轴演化反转。在块体受压超导时，a/b轴和c轴均收缩；但在薄膜中，压缩应变虽然导致面内晶格参数下降，却迫使c轴晶格（及 Ni-O 顶角键长）发生显著扩张。尽管c轴演化路径相反，超导态依然在面内晶格压缩至接近块体临界值时出现。这表明c轴的缩短并非超导的先决条件，从而挑战了传统观点中“c轴压缩增强层间耦合”的必然性。这一发现筛选出“面内晶格压缩”和“高八面体对称性”作为两种超导几何构型中真正共同的结构基元，将研究重心引向了面内轨道杂化和对称性相关的能带调整。

图  La₃Ni₂O₇薄膜晶格参数随外延应变的变化

八面体畸变分解与电子结构关联

为了理清各种结构变量对超导的影响，研究者引入了一个几何分解框架，将总畸变拆解为臂长变化(L)、内角变化(G)和刚性旋转(R)。DFT计算表明，单纯的键长变化（L）主要引起能级的整体漂移，而八面体旋转（R）的改变则是驱动低能Ni带中t_2g轨道成分“清理”的核心因素。在超导相（压缩薄膜和高压块体）中，t_2g轨道杂化被显著抑制，电子态变得更加纯净的eg型。这种由旋转畸变消除引起的“t_2g清理”效应，可能通过改变晶体场分裂来优化配对对称性。这一理论发现完美地统一了块体与薄膜的微观机理，强调了通过应变调控对称性来优化电子关联，是实现镍酸盐高温超导的关键路径。

图  八面体畸变分解电子结构计算

展望

本研究通过高精度MEP技术和结构分解理论，系统揭示了外延应变对La₃Ni₂O₇原子结构的塑造作用。研究确证了压缩应变通过诱导高对称性结构并实现面内晶格压缩来稳定超导态，并发现其物理机制在于通过八面体旋转的调整消除了t_2g轨道混合。这一工作不仅澄清了镍酸盐超导的结构起源，也为通过应变工程理性设计新型功能材料提供了范例。

参考文献：

Bhatt, L., Abarca Morales, E., Jiang, A.Y. et al. Structural modifications in strain-engineered bilayer nickelate thin films. Nature (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10446-2

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