Bulk superconductivity in quintuple-layer square-planar nickelate La6Ni5O12
本文报道了通过拓扑还原法合成的五层方平面镍氧化物 La6Ni5O12 在常压下发现体超导现象，其起始转变温度约为 18 K，超导体积份额约为 25%，从而为研究镍氧化物中高温超导机制提供了一个至关重要的平台。
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几十年来，最著名的能够无电阻导电的材料家族一直是铜基陶瓷，即铜氧化物。这些材料可以在远高于绝对零度的温度下以完美的效率传输电流，这一特性自20世纪80年代以来一直令科学家们着迷。然而，准确理解它们的工作原理一直非常困难，因为这些材料最有用的版本仅以薄膜形式存在，或者需要极高的压力才能发挥作用。这种局限性迫使研究人员不得不依赖间接方法来研究它们，就像试图仅通过观察屋顶来了解房屋内部一样。为了解开这个谜团，科学家们一直在寻找一类新的材料，其行为类似于铜氧化物，但更容易被研究。他们将注意力转向了镍氧化物，这类材料与铜材料具有相似的化学结构和电子环境。虽然镍基超导体是最近才被发现的，但它们也陷入了同样的困境：它们仅在薄层中或在极端压力下起作用，导致材料的大部分处于非超导状态。
研究团队现在通过制造出一块在常压下即可无电阻导电的镍基材料，打破了这一障碍。科学家们从一种特定的镍化合物开始，这是一种在高热和高压下自然形成的五层晶体结构。这种初始材料是一种金属导体，但尚未成为超导体。为了对其进行转化，研究人员进行了一场精密的“化学手术”。他们将晶体置于一个密封环境中，并使用一种像海绵一样能吸收特定氧原子的化学试剂，从晶体的表面和内部吸取氧原子。这个被称为“拓扑化学反应”的过程，去除了恰到好处的氧量，从而改变了材料内部原子的排列，而没有破坏晶体结构。其结果是得到了一种新版本的材料，其中的镍原子位于扁平的方形平面内，这种结构在理论模型中长期以来被预测为实现超导性的理想结构。
当研究人员测试这种新材料时，他们发现材料在约18开尔文（即低于摄氏零度约255度）的温度下开始无电阻导电。这不仅仅是表面效应；该材料在整个体积内都表现为真正的超导体。为了证实这一点，团队测量了材料对磁场的响应。他们观察到，该材料主动将磁场从自身周围推开，这是超导性的一个标志，并且它能够在其结构内捕捉磁力线，这表明它正在携带电流且不损失能量。他们还测量了材料的比热容，结果显示在电阻消失的同一温度下，比热容出现了明显的跳变。这种跳变是一个明确的热力学特征，表明材料的大部分已经进入了超导状态。
研究表明，这次转化的成功完全取决于精准度。如果化学处理过弱，材料仍将是具有某些异常磁特性的普通金属；如果处理过强，材料则会变成完全阻断电流的绝缘体。只有在非常狭窄的化学调整窗口内，超导态才会出现。研究人员估计，他们样本中大约有四分之一的材料处于超导状态，其余部分则保持在正常状态，这可能是由于微小的裂纹或化学成分的轻微变化所致。尽管如此，这一发现仍具有重要意义，因为它提供了第一个在常压下工作的镍基超导体块体样品。这为科学家们打开了大门，使他们能够利用中子散射和先进成像等强大工具直接观察材料内部，从而可能揭示隐藏多年的高温超导性的奥秘。
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