工欲善其事，必先利其器：山东大学张俊杰团队刷新镍基超导纪录，前沿测量技术助力捕捉“零电阻”瞬间
发布日期：2025-12-17
近日，高温超导领域迎来重大里程碑。山东大学晶体材料全国重点实验室张俊杰教授、陶绪堂教授团队，联合北京高压科学研究中心及中科院物理所等单位，在镍基高温超导研究中取得突破性进展。该团队不仅创新提出常压助熔剂生长法，解决了高质量单晶制备难题，更在 Quantum Design 综合物性测量系统 (PPMS) 和磁学测量系统 (MPMS) 的精密辅助下，成功捕捉到高达 96 K（约 -177℃） 的超导转变信号。这一成果已在国际高水平学术期刊《自然》（Nature）上发表，标志着在高温超导机理探索上的又一突破。
长期以来，双层镍基超导体（如 La3Ni2O7）的单晶生长依赖苛刻的高氧压浮区法，往往导致样品不均匀、存在共生杂质相，严重制约了物理机理的精准研究。张俊杰教授团队另辟蹊径，开发了一种全新的常压助熔剂法（Flux method at ambient pressure）。通过引入稀土元素 Sm 进行化学压力调控，团队成功生长出了高质量、无共生相的 La2SmNi2O7单晶。这种新方法不仅极大地提升了晶体质量，更为后续在极端环境下捕捉纯净的物理信号奠定了坚实的物质基础。
常压助溶剂法晶体生长示意图和高质量La3Ni2O7、La2SmNi2O7单晶
拥有了高质量的单晶样品，如何在高压、强磁场等极端条件下精准表征其超导电性，成为验证成果的关键。在此次研究中，Quantum Design 公司的综合物性测量系统 (PPMS) 凭借其超卓的温控稳定性和高灵敏度电输运测量功能，成为了捕捉“零电阻”信号的核心利器。
La2SmNi2O7单晶压力下的高Tc超导转变
刷新纪录的电阻测量： 研究团队利用 PPMS 对 La1.57Sm1.43Ni2O7 样品进行了高压电阻率测试。数据显示，在 21.6 GPa 的压力下，该材料展现出高达 96 K 的超导起始转变温度。这是目前镍基超导体所达到的最高临界温度纪录。
零电阻与临界场分析： 针对La2SmNi2O7单晶，PPMS 精准记录了其在 21.6 GPa 下 92 K 的起始转变和 73 K 的零电阻行为。此外，通过 PPMS 施加磁场进行的 Hc2（上临界场）拟合分析，证实了其超导态的鲁棒性，为超导机理研究提供了关键的电输运证据。
如果说电阻下降是超导的“迹象”，那么迈斯纳效应（完全抗磁性）则是超导的“指纹”。为了回应学界对于镍基超导是否仅为“丝状超导”或“表面超导”的质疑，团队使用了 Quantum Design 公司的磁学测量系统 (MPMS3) 进行确证。
La2SmNi2O7单晶压力下的直流磁化率测量
极微弱信号的捕捉： MPMS3 凭借 SQUID 磁强计的超高灵敏度，在 20.6 GPa 的高压环境下，清晰观测到了样品在 60 K 以下的抗磁信号突变。从上图中可以看出，该信号的量级在10-7emu量级，在金刚石对顶的磁测量背底下仍然保持了较好的信噪比。
体积分数超 60%： 结合 MPMS 的零场冷（ZFC）和场冷（FC）测量数据，计算表明该材料的超导体积分数超过 60%。这一关键数据无可辩驳地证实了 La2SmNi2O7是真正的“体超导体”，而非局域现象。
在 PPMS 和 MPMS 提供的详实数据支撑下，团队还结合同步辐射 X 射线衍射揭示了镍基超导的新规律。研究发现，随着压力增加，材料结构从单斜相（P21/m）转变为四方相（I4/mmm）。与此前“仅四方相支持超导”的认知不同，该研究创新性地确认这两种结构均可承载超导电性。此外，基于常压下的面内晶格畸变度D=(a-b)/(a+b)越大，高压下的Tc越高的推断，该团队通过优化 La/Sm 配比，最终实现了 96 K 的历史性突破。
一种提高Tc并实现创纪录高Tc的策略。
从高质量单晶的常压生长，到利用 PPMS 刷新超导温度纪录，再到借助 MPMS 确立“体超导”性质，山东大学张俊杰教授团队的这一系列工作，不仅解决了镍基超导研究中的材料制备瓶颈，并将镍基超导材料超导温度推到了一个新的高度。
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| 完全无液氦综合物性测量系统 - PPMS DynaCool | 全新一代磁学测量系统-MPMS3 |
全新联用方案，实现复杂环境小信号精准测量
为了更加精准在复杂磁场低温环境下对小信号进行测量，近日Quantum Design已经推出了M81多功能电学测量仪与PPMS物性测量系统联用的解决方案：用户可以采用PPMS DynaCool样品托以及杜瓦侧面的原生Lemo接头转外接接线盒，通过BNC线缆与M81综合电学测量仪相连接。该方案提供了电流源、电压表以及电压源、电流表的配置，能够实现直流、交流锁相、偏置以及交直流混合的测量手段。
得益于Lake Shore M81优异的低噪声电流源以及强大的锁相功能，基于系统原生配置在未使用额外样品杆的前提下依然可以获得非常好的测量数据。
M81-SSM采用主机和模块搭配使用的方案，一个主机可以同时扩展至多3个源表模块以及至多3个测量模块，每个模块均可以适配直流以及最高100kHz的测量范围。具体有以下模块可供选择：
1. VM-10 电压测量模块
该模块提供分辨率从低纳伏到 10 V 的直流至 100 kHz 电压测量，包括振幅、相位和谐波检测功能。专有的无缝量程技术允许在增减量程时进行连续测量。
VM-10 电压测量模块
2. CM-10电流测量模块
该模块可在直流至 100 kHz 范围内，以接近零的输入偏移电压测量 fA 至 100 mA 的电流，包括幅值、相位和谐波检测功能。该模块还具有可配置的硬件和软件滤波功能。
CM-10电流测量模块
3. BCS-10电流源模块
该模块提供 1 pA 至 100 mA 的可编程电流，最大符合 ±10 V 的直流输出至 100 kHz 正弦输出。BCS-10 源自 Lake Shore 前沿的 372 型交流电阻电桥，采用差分或平衡设计，有助于减少或消除低温恒温器和其他研究设备中经常遇到的接地回路。它扩展了 372 型平衡源的功能，增加了可变频率和振幅编程能力，在保持出色噪声性能的同时，提高了灵活性。
BCS-10电流源模块
4. VS-10电压源模块
该模块可提供 ±1 nV 至 ±10 V 的可编程电压，最大符合 100 mA 的直流至 100 kHz 正弦输出。VS-10 适用于栅极偏置、电压扫描 I-V 曲线剖析，以及需要高稳定电压并结合电流、电阻/电感和其他材料或电子器件测量的应用。
VS-10电压源模块
参考文献：
[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
