近日，高溫超導(dǎo)領(lǐng)域迎來重大里程碑。山東大學(xué)晶體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張俊杰教授、陶緒堂教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合北京高壓科學(xué)研究中心及中科院物理所等單位，在鎳基高溫超導(dǎo)研究中取得突破性進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)不僅創(chuàng)新提出常壓助熔劑生長法，解決了高質(zhì)量單晶制備難題，更在 Quantum Design 綜合物性測量系統(tǒng) (PPMS) 和磁學(xué)測量系統(tǒng) (MPMS) 的精密輔助下，成功捕捉到高達(dá) 96 K（約 -177℃） 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變信號(hào)。這一成果已在國際高水平學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表，標(biāo)志著在高溫超導(dǎo)機(jī)理探索上的又一突破。

長期以來，雙層鎳基超導(dǎo)體（如 La₃Ni₂O₇）的單晶生長依賴苛刻的高氧壓浮區(qū)法，往往導(dǎo)致樣品不均勻、存在共生雜質(zhì)相，嚴(yán)重制約了物理機(jī)理的精準(zhǔn)研究。張俊杰教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開發(fā)了一種全新的常壓助熔劑法（Flux method at ambient pressure）。通過引入稀土元素 Sm 進(jìn)行化學(xué)壓力調(diào)控，團(tuán)隊(duì)成功生長出了高質(zhì)量、無共生相的 La₂SmNi₂O₇單晶。這種新方法不僅極大地提升了晶體質(zhì)量，更為后續(xù)在jiduan環(huán)境下捕捉純凈的物理信號(hào)奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

常壓助溶劑法晶體生長示意圖和高質(zhì)量La₃Ni₂O₇、La₂SmNi₂O₇單晶

擁有了高質(zhì)量的單晶樣品，如何在高壓、強(qiáng)磁場等jiduan條件下精準(zhǔn)表征其超導(dǎo)電性，成為驗(yàn)證成果的關(guān)鍵。在此次研究中，Quantum Design 公司的綜合物性測量系統(tǒng) (PPMS) 憑借其超卓的溫控穩(wěn)定性和高靈敏度電輸運(yùn)測量功能，成為了捕捉“零電阻"信號(hào)的核心利器。

La₂SmNi₂O₇單晶壓力下的高Tc超導(dǎo)轉(zhuǎn)變

刷新紀(jì)錄的電阻測量： 研究團(tuán)隊(duì)利用 PPMS 對 La_1.57Sm_1.43Ni₂O₇ 樣品進(jìn)行了高壓電阻率測試。數(shù)據(jù)顯示，在 21.6 GPa 的壓力下，該材料展現(xiàn)出高達(dá) 96 K 的超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度。這是目前鎳基超導(dǎo)體所達(dá)到的臨界溫度紀(jì)錄。

零電阻與臨界場分析： 針對La₂SmNi₂O₇單晶，PPMS 精準(zhǔn)記錄了其在 21.6 GPa 下 92 K 的起始轉(zhuǎn)變和 73 K 的零電阻行為。此外，通過 PPMS 施加磁場進(jìn)行的 Hc2（上臨界場）擬合分析，證實(shí)了其超導(dǎo)態(tài)的魯棒性，為超導(dǎo)機(jī)理研究提供了關(guān)鍵的電輸運(yùn)證據(jù)。

如果說電阻下降是超導(dǎo)的“跡象"，那么邁斯納效應(yīng)（抗磁性）則是超導(dǎo)的“指紋"。為了回應(yīng)學(xué)界對于鎳基超導(dǎo)是否僅為“絲狀超導(dǎo)"或“表面超導(dǎo)"的質(zhì)疑，團(tuán)隊(duì)使用了 Quantum Design 公司的磁學(xué)測量系統(tǒng) (MPMS3) 進(jìn)行確證。

La₂SmNi₂O₇單晶壓力下的直流磁化率測量

極微弱信號(hào)的捕捉： MPMS3 憑借 SQUID 磁強(qiáng)計(jì)的超高靈敏度，在 20.6 GPa 的高壓環(huán)境下，清晰觀測到了樣品在 60 K 以下的抗磁信號(hào)突變。從上圖中可以看出，該信號(hào)的量級(jí)在10^-7emu量級(jí)，在金剛石對頂?shù)拇艤y量背底下仍然保持了較好的信噪比。

體積分?jǐn)?shù)超 60%： 結(jié)合 MPMS 的零場冷（ZFC）和場冷（FC）測量數(shù)據(jù)，計(jì)算表明該材料的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)超過 60%。這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)無可辯駁地證實(shí)了 La₂SmNi₂O₇是真正的“體超導(dǎo)體"，而非局域現(xiàn)象。

在 PPMS 和 MPMS 提供的詳實(shí)數(shù)據(jù)支撐下，團(tuán)隊(duì)還結(jié)合同步輻射 X 射線衍射揭示了鎳基超導(dǎo)的新規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著壓力增加，材料結(jié)構(gòu)從單斜相（P2₁/m）轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵↖4/mmm）。與此前“僅四方相支持超導(dǎo)"的認(rèn)知不同，該研究創(chuàng)新性地確認(rèn)這兩種結(jié)構(gòu)均可承載超導(dǎo)電性。此外，基于常壓下的面內(nèi)晶格畸變度D=(a-b)/(a+b)越大，高壓下的Tc越高的推斷，該團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化 La/Sm 配比，最終實(shí)現(xiàn)了 96 K 的歷史性突破。

一種提高Tc并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄高Tc的策略。

從高質(zhì)量單晶的常壓生長，到利用 PPMS 刷新超導(dǎo)溫度紀(jì)錄，再到借助 MPMS 確立“體超導(dǎo)"性質(zhì)，山東大學(xué)張俊杰教授團(tuán)隊(duì)的這一系列工作，不僅解決了鎳基超導(dǎo)研究中的材料制備瓶頸，并將鎳基超導(dǎo)材料超導(dǎo)溫度推到了一個(gè)新的高度。

無液氦綜合物性測量系統(tǒng) - PPMS DynaCool	全新一代磁學(xué)測量系統(tǒng)-MPMS3

全新聯(lián)用方案，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境小信號(hào)精準(zhǔn)測量

為了更加精準(zhǔn)在復(fù)雜磁場低溫環(huán)境下對小信號(hào)進(jìn)行測量，近日Quantum Design已經(jīng)推出了M81多功能電學(xué)測量儀與PPMS物性測量系統(tǒng)聯(lián)用的解決方案：用戶可以采用PPMS DynaCool樣品托以及杜瓦側(cè)面的原生Lemo接頭轉(zhuǎn)外接接線盒，通過BNC線纜與M81綜合電學(xué)測量儀相連接。該方案提供了電流源、電壓表以及電壓源、電流表的配置，能夠?qū)崿F(xiàn)直流、交流鎖相、偏置以及交直流混合的測量手段。

得益于Lake Shore M81優(yōu)異的低噪聲電流源以及強(qiáng)大的鎖相功能，基于系統(tǒng)原生配置在未使用額外樣品桿的前提下依然可以獲得非常好的測量數(shù)據(jù)。

M81-SSM采用主機(jī)和模塊搭配使用的方案，一個(gè)主機(jī)可以同時(shí)擴(kuò)展至多3個(gè)源表模塊以及至多3個(gè)測量模塊，每個(gè)模塊均可以適配直流以及100kHz的測量范圍。具體有以下模塊可供選擇：

1.  VM-10 電壓測量模塊

該模塊提供分辨率從低納伏到 10 V 的直流至 100 kHz 電壓測量，包括振幅、相位和諧波檢測功能。專有的無縫量程技術(shù)允許在增減量程時(shí)進(jìn)行連續(xù)測量。

VM-10 電壓測量模塊

2.  CM-10電流測量模塊

該模塊可在直流至 100 kHz 范圍內(nèi)，以接近零的輸入偏移電壓測量 fA 至 100 mA 的電流，包括幅值、相位和諧波檢測功能。該模塊還具有可配置的硬件和軟件濾波功能。

CM-10電流測量模塊

3. BCS-10電流源模塊

該模塊提供 1 pA 至 100 mA 的可編程電流，Max符合 ±10 V 的直流輸出至 100 kHz 正弦輸出。BCS-10 源自 Lake Shore 前沿的 372 型交流電阻電橋，采用差分或平衡設(shè)計(jì)，有助于減少或消除低溫恒溫器和其他研究設(shè)備中經(jīng)常遇到的接地回路。它擴(kuò)展了 372 型平衡源的功能，增加了可變頻率和振幅編程能力，在保持出色噪聲性能的同時(shí)，提高了靈活性。

BCS-10電流源模塊

4. VS-10電壓源模塊

該模塊可提供 ±1 nV 至 ±10 V 的可編程電壓，Max符合 100 mA 的直流至 100 kHz 正弦輸出。VS-10 適用于柵極偏置、電壓掃描 I-V 曲線剖析，以及需要高穩(wěn)定電壓并結(jié)合電流、電阻/電感和其他材料或電子器件測量的應(yīng)用。

VS-10電壓源模塊

參考文獻(xiàn)：

[1]. Li, F., Xing, Z., Peng, D. et al. Bulk superconductivity up to 96 K in pressurized nickelate single crystals. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09954-4