高温高压光学浮区炉赋能镍基超导研究，近各向同性超导成果刊发 PRX 广受学界关注！
发布日期：2026-08-12
导语：一个”近各向同性”发现，打开高温超导新视野
高温超导——这个凝聚态物理领域长达数十年的核心命题之一，正在迎来新的解题思路。
自1986年铜酸盐超导体和2008年铁基超导体相继发现以来，高温超导机理始终是物理学界悬而未决的重大挑战。2019年，镍酸盐超导材料成功问世，填补了铜基和铁基之外全新高温超导材料体系赛道，不仅为物理学家搭建起跨体系对比研究平台，更为破解高温超导机理这一世纪难题注入了全新希望。
近期，上海前瞻物质科学研究院彭帝团队及其合作者在这一方向取得重要突破，首次绘制了加压三层镍酸盐La4Ni3O10-δ单晶上临界磁场的全温区相图，揭示其近各向同性的上临界磁场特性。该成果以“Nearly Isotropic Upper Critical Field in Pressurized Trilayer Nickelate La4Ni3O10-δ”为题发表在《PHYSICAL REVIEW X》上[1]。
值得关注的是，这项高水平研究的背后，在作者及其合作者依托稳态强磁场实验装置（SHMFF）所属水冷磁体WM5，成功设计了一套原位转角电输运测试系统之外，还离不开三套关键科研设备的强力支撑：德国 ScIDre 公司 HKZ 系列高温高压光学浮区法单晶炉承担了高质量单晶样品的生长任务，美国 Quantum Design 公司完全无液氦综合物性测量系统-PPMS DynaCool与全新一代磁学测量系统-MPMS3则完成了核心物性数据的精确表征。
研究核心：近各向同性上临界场的物理意义
超导体的上临界场（μ0Hc2）是连接超导微观理论与宏观应用的核心纽带，对于揭示配对机制和评估应用潜力至关重要，它不仅为科学家深入理解高温超导机理提供了关键线索，也为工程师筛选特定应用场景下的最优超导材料提供了重要依据。在铜酸盐高温超导体中，μ0Hc2表现出高度的各向异性，这与其晶体结构及二维dx²-y²轨道相关的电子配对特性密切相关。相比之下，大多数铁基超导体中μ0Hc2的各向异性较弱，这归因于其更为三维的电子结构和多带效应。该研究表明：La4Ni3O10-δ的上临界场在整个温度范围内几乎是各向同性的，各向异性参数从Tc附近的约1.4单调减小到最低温度时的1。基于双带模型的分析进一步表明，La4Ni3O10-δ中μ0Hc2的各向同性源于dz²和dx²−y²轨道贡献的能带各向异性扩散率之间的有效平衡。
这一发现为理解镍酸盐高温超导配对机制提供了关键的实验依据，也再次印证了高质量单晶样品对于前沿物理研究的决定性作用，而单晶质量的源头，正是生长设备的性能极限。
工欲善其事：高质量单晶的生长利器
在凝聚态物理研究中，样品质量往往直接决定研究上限。La4Ni3O10-δ这类复杂氧化物单晶的生长，对温场分布、气氛控制及压力稳定性提出了极高要求。
本研究中采用的高温高压光学浮区法单晶炉，正是德国ScIDre公司推出的HKZ系列设备。该系列设备专为极端条件下高品质单晶生长而设计，能够提供高达3000℃的生长温度，样品腔压力可达300bar，甚至10-5mbar的高真空，在超导材料、介电和磁性材料、氧化物及金属间化合物等领域有显著优势。Quantum Design将ScIDre公司的前沿设备引进中国，提供高温高压光学浮区法单晶炉与高压氧气氛退火炉的全流程技术支持，助力国内晶体生长领域的持续发展。
ScIDre单晶炉特点
► 采用垂直式光路设计
► 采用高照度氙灯，多种功率规格可选
► 采用光阑控制技术，加热功率从0-100% 可调
► 熔区温度：高达2000 - 3000℃（具体取决于材料和配置）
► 熔区气压：10bar、50bar、100bar、150bar、200bar、300 bar可选
► 熔区气氛：Ar、O2、N2、混合气等可选
► 不同真空环境可选：10-2 mbar或 10-5 mbar
► 丰富的可升级选件
HKZ 系列高温高压光学浮区法单晶炉
数据说话：精准物性表征的测量平台
高质量单晶的生长只是第一步，对其电学、磁学性质的精确测量同样依赖前沿优质设备。在这项工作中，La4Ni3O10-δ单晶材料的电学和磁学等性质的部分数据测量采用的是美国Quantum Design公司的完全无液氦综合物性测量系统-PPMS DynaCool与全新一代磁学测量系统-MPMS3。
完全无液氦综合物性测量系统-PPMS DynaCool
历经三十年技术迭代，Quantum Design完全无液氦综合物性测量系统-PPMS DynaCool已在全球销售安装了1500余套，在中国地区也有近300套，遍布于众多低温强磁场下物性表征的高端科学研究实验室，助力了无数个重大科学发现。DynaCool采用完全无液氦设计，集全自动的磁学、电学、热学和形貌、铁电和介电等各种物性测量功能于一身，真正实现"一机多能"，是材料基础物性研究的综合性平台。
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
基于SQUID测量技术研发的MPMS3磁学测量系统，以其超高的磁性测量灵敏度著称。设备可同时提供变磁场测量环境和变温度场测量环境，可广泛应用于金属、陶瓷、半导体、超导体、磁性材料、合金材料、有机材料、介电材料和高分子材料等研究领域。
全新一代磁学测量系统-MPMS3
参考文献：
[1]. Di Peng, Yaolong Bian, Zhenfang Xing, Lixing Chen et al. Nearly Isotropic Upper Critical Field in Pressurized Trilayer Nickelate La4Ni3O10−δ. Phys. Rev. X 16, 021008. DOI: https://doi.org/10.1103/h5sv-dzd1
