镍酸盐薄膜，常压超导，Nature！

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编辑丨风云

研究背景

Ruddlesden–Popper (RP)镍酸盐作为探索高温超导机制的关键平台，其地位日益凸显。虽然此前在双层和三层结构中发现了超导迹象，但由于其复杂的轨道贡献（涉及d_x2−y2和d_z2）及对生长条件的极度敏感，导致诱发超导所需的特定费米面拓扑结构仍是一个未解之谜。理解这些原子级工程结构的电子基因对于揭示镍酸盐超导本质至关重要。

关键问题

目前，镍酸盐超导本质的研究主要存在以下问题：

1、超导核心费米面特征不明

尽管发现了多种镍酸盐超导相，但究竟哪种费米面拓扑结构是实现超导的“必需品”，在实验上一直缺乏系统的对比研究。

2、d_z2轨道的具体角色存疑

镍酸盐中d_z2轨道的参与使其区别于传统的单带铜氧化物，但该轨道如何影响超导性，以及其能带位置与超导转变的关系仍存在巨大争议。

新思路

有鉴于此，南方科技大学的陈卓昱副教授，薛其坤院士，李鹏助理研究员以及中国科学技术大学的沈大伟教授等人报告了在相同的压缩外延应变下，单层-双层(1212)和双层-三层(2323)超结构的薄膜生长和常压超导电性，以及单层-三层(1313)超结构中超导性的缺失。起始超导转变温度范围为46 K至50 K，超过了麦克米兰极限。角分辨光电子能谱(ARPES)显示了这些原子工程结构中关键的费米面差异。在超导的1212和2222薄膜中，色散的空穴型能带(γ^II)在布里渊区角落形成了一个潜在的费米口袋。相比之下，在非超导的1313薄膜中，平带(γ^III)的顶部位于费米能级(EF)以下约70 meV处。特别地，超导的2323薄膜同时具有γ^II和γ^III能带。γ带的极化依赖性揭示了它们的Ni d_z2起源。该发现扩展了常压镍酸盐超导体家族，并建立了镍酸盐中结构配置、电子结构和超导出现之间的联系。

技术方案：

1、制备了不同超结构并研究了其输运性质

研究人员利用GAE方法生长四种镍酸盐薄膜，1212、2222、2323结构均实现常压超导，转变温度突破麦克米兰极限，1313结构无超导性，证明超导性与原子堆叠构型密切相关。

2、在原子尺度上表征了薄膜结构

研究人员结合STEM、HAADF和XRD验证薄膜结构完整性，确认原子层交替排列和元素分布，高结晶质量和单相性为ARPES测量提供高质量纯相样本。

3、揭示了超导与非超导结构之间显著的能带差异

研究人员通过ARPES发现，超导结构γ带跨越费米能级，非超导1313结构γ带为平带位于费米能级下70 meV，2323超结构双层与三层γ带共存，解释了其复杂费米面拓扑。

4、揭示了超导起源的决定因素

研究人员通过偏振依赖ARPES确认γ带源自Ni d_z2轨道，α/β带源自d_x2-y2轨道，发现γ带位于费米能级之上形成口袋时超导显现，深埋则消失，揭示d_z2轨道能级位置决定超导基因。

技术优势：

1、实现了多种超结构的常压超导

本文成功利用原子层外延技术制备了1212和2323纯相超结构薄膜，并首次证明它们在常压下具有高达50 K的起始超导转变温度。

2、揭示了超导的“电子基因”

通过系统的ARPES对比研究，明确指出Ni d_z2轨道形成的γ^II能带穿过费米能级形成口袋是超导的关键特征，而该能带深埋于费米能级之下则会导致超导消失。

技术细节

不同超结构的制备与输运性质比较

研究团队利用巨氧化原子层对原子层外延(GAE)方法，在SrLaAlO₄底片上精确生长了四种不同构型的镍酸盐薄膜：1212、2222、1313和2323。实验严格控制La:Pr比例为2:1以抑制氧空位。输运测量显示，1212、2222和2323结构均表现出明确的常压超导性，其起始转变温度(Tconset)分别约为50 K、50 K和46 K，均突破了麦克米兰极限。值得注意的是，2323结构表现出独特的两阶段超导转变特征（第二阶段在约18 K），这可能反映了三层块体对双层超导相干性的干扰，暗示了层间耦合的复杂性。相比之下，尽管1313结构具有与2222相同的化学成分，但在相同应变下却表现为金属行为而无超导性。这一对比有力地证明了超导性与原子堆叠构型（而非单纯的化学成分）之间存在深刻的依赖关系。

图  1212、2222、1313和2323镍酸盐薄膜的比较

原子级结构表征与应变分析

为了验证薄膜的结构完整性，研究结合了扫描透射电子显微镜(STEM)、高角环形暗场图像(HAADF)和X射线衍射(XRD)技术。HAADF图像清晰地展示了四种薄膜中原子层交替排列的序列，如1212中的双层/单层块、2323中的双层/三层块等。能量色散X射线光谱 (EDS) 进一步确认了元素在原子层级上的分布符合预期构型。所有薄膜均表现出高结晶质量和单相性，XRD结果显示它们在面外方向存在约1%的晶格拉伸，而面内方向则承受约2%的相干压缩应变，这与此前报道的双层镍酸盐薄膜一致。这种精确的原子级工程不仅确保了实验数据的可靠性，还为后续进行敏感的表面电子结构测量（如ARPES）提供了高质量的纯相样本，避免了杂相干扰带来的误读。

图  1212、2222、1313和2323镍酸盐薄膜的结构表征

电子能带结构与费米面映射

ARPES测量揭示了超导与非超导结构之间显著的能带差异。在超导的1212和2222薄膜中，费米面由三个口袋组成：布里渊区中心的电子型α口袋、角落的空穴型β口袋，以及关键的空穴型γ口袋。重点在于，这种γII能带跨越了费米能级。而在非超导的1313薄膜中，虽然α和β带保持相似，但γ带表现为明显的“平带”特征，其带顶位于费米能级之下约70 meV处，导致γ口袋消失。此外，研究还观察到一种“瀑布状”特征，这被归因于d_z2轨道中的强关联效应。对于2323超结构，ARPES成功分辨出了源自双层块的γ^II（跨越E_F）和源自三层块的γ^III（位于E_F下）的共存，这解释了其费米面拓扑结构为何与1212相似但更为复杂。

图  1212、2222、1313和2323镍酸盐薄膜的电子能带结构

极化依赖实验与轨道起源分析

为了明确能带的轨道属性，研究进行了偏振依赖的ARPES测量。结果显示，线性垂直偏振极大地增强了γ带的强度，而α/β带则在不同偏振下表现出不同的响应。基于矩阵元素效应分析，研究确认α和β带主要源自Ni d_x2−y2轨道，而γ带则明确源自Ni d_z2轨道。实验还发现，即使在垂直偏振下α/β带仍有残余强度，这可能归因于与氧p轨道的杂化。这一系统性对比揭示了一个关键的物理图像：当Ni d_z2轨道形成的γ能带位于费米能级之上并形成口袋时，超导性得以显现；而当其完全深埋于费米面之下时，超导则会消失。这为理解镍酸盐超导中的轨道权重和电子相互作用提供了实验基石，强调了d_z2轨道能级位置在决定超导基因中的核心地位。

图  2323结构薄膜在103eV光子下的偏振特性

展望

本研究通过原子级精确调控的镍酸盐超结构，首次在常压下实现了1212和2323相的超导电性，并利用ARPES系统地比较了超导与非超导态的能带演变。实验确证了Ni d_z2轨道形成的γ能带口袋跨越费米能级是实现高温超导的关键“电子基因”。这一发现不仅丰富了镍酸盐超导体家族，还建立了一个原子级精确的平台，为深入探索高温超导的物理起源和设计更高转变温度的超导材料提供了重要启示。

参考文献：

Nie, Z., Li, Y., Lv, W. et al. Superconductivity and electronic structures of nickelate thin film superstructures. Nature (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10352-7