镍基超导研究新突破，登上Nat. Commun.！高温高压光学浮区法单晶炉立大功

发布日期：2026-09-22

近日，何格及其合作团队针对双层镍酸盐超导体La₃Ni₂O₇自旋密度波（SDW）态中各项异性电子关联的研究成果发表于《Nature Communications》。该工作依托德国ScIDre公司HKZ型高温高压光学浮区法单晶炉成功生长出高质量La₃Ni₂O₇单晶，并通过偏振电子拉曼散射测量，揭示了SDW能隙的动量选择性及各向异性耦合特征，为理解镍基高温超导机理提供了关键微观证据。

研究背景：镍基超导与密度波之谜

高温超导通常出现在反铁磁序附近，这一现象在铜氧化物、铁基超导体中广泛存在，近年来在Ruddlesden-Popper（RP）相镍酸盐中也备受关注。La₃Ni₂O₇作为双层RP镍酸盐，在高压下表现出高于77 K的高温超导电性，常压下则在约150 K附近发生密度波（DW）转变。然而，该密度波转变的微观本质始终存在争议，相变主导机制究竟是自旋密度波（SDW）还是电荷密度波（CDW）。不同实验手段得到的结论相互矛盾：光学测量报道了能隙打开特征，但角分辨光电子能谱（ARPES）却未见清晰能隙。这一分歧，亟待从电子关联效应角度开展高质量的实验予以厘清，而高品质单晶是突破该瓶颈的核心前提。

HKZ型高温高压光学浮区炉：高质量单晶生长的关键保障

高质量单晶是获得可靠谱学数据的前提。在本研究中，La₃Ni₂O₇单晶的生长采用了德国ScIDre公司生产的HKZ型高温高压光学浮区炉。实验采用固相反应法合成前驱粉体，在15 bar氧气气氛、0.2 L/min的流速、以4 mm/h的速度、依靠5 kW氙灯光源完成浮区法晶体制备。

德国ScIDre公司生产的HKZ型高温高压光学浮区炉配备精确的气体流量控制和压力调节系统，为易挥发、高熔点材料的单晶生长提供了保障条件。设备采用垂直双镜光路设计和光阑控制技术，可实现加热功率0–100%调节，确保熔区温度分布均匀、生长界面稳定。正是上述技术优势共同促成了本研究所用La₃Ni₂O₇单晶的高质量，为后续拉曼散射测量中观察到清晰的SDW能隙特征奠定了材料基础。

核心发现：各向异性SDW与耦合强度差异

基于高质量单晶，何格及其合作者进行了系统的偏振电子拉曼散射测量。实验发现，在150 K以下，B_1g和B_2g通道均出现显著的谱权重重新分布，而A_1g通道无明显变化，表明SDW能隙的打开具有对称选择性。定量分析得到两个不同的SDW能隙：

• B_1g通道（主要探测X/Y点附近）：能隙Δ_B1g = 37.5–40.4 meV，能隙比2Δ_B1g /kBTSDW ≈5.5–5.9，表现为中等到强耦合。

• B_₂g通道（主要探测对角线方向）：能隙ΔB_2g = 23.0 meV，能隙比2ΔB_2g /kBTSDW ≈3.4，表现为弱耦合。

这种动量空间上耦合强度的显著差异，无法用简单的弱耦合嵌套图像解释，表明La₃Ni₂O₇中的SDW是一种由各向异性电子关联驱动的非常规密度波。研究还发现，高温下残余的电子拉曼响应可能源于短程自旋涨落或关联诱导的赝能隙行为，进一步支持了强关联图像。

意义与展望

该研究不仅厘清了La₃Ni₂O₇中SDW的电子本质，也为理解镍酸盐在压力下出现高温超导的微观机制提供了重要线索。而这一成果的取得，离不开HKZ型高温高压光学浮区炉在高质量单晶生长中的关键支撑。

ScIDre HKZ系列浮区炉凭借其超高温（可达3000°C）、超高压（可达300 bar）、精确气氛控制和灵活可升级的模块化设计，已成为高温超导、量子材料、磁性材料等领域单晶生长的标杆设备。目前，HKZ系列已在中国科学院物理研究所、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、复旦大学、北京航空航天大学、松山湖材料实验室等多家科研机构投入使用，持续助力中国科研团队在前沿材料研究中取得突破。

关于HKZ型高温高压光学浮区法单晶炉

HKZ系列由德国Scientific Instruments Dresden GmbH（ScIDre）研发制造，Quantum Design中国负责其在中国的推广与技术支持。该设备可配备多种选件，如高真空系统、气体除杂系统、高压氧退火装置等，满足不同材料体系的个性化生长需求。

HKZ型高温高压光学浮区法单晶炉技术特色

• 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

高温高压光学浮区法单晶炉外观图

文献信息：
[1]. Ge He, Jun Shen, Shiyu Xie et al. Anisotropic electronic correlations in the spin density wave state of La3Ni2O7. Nat Commun 17, 6272 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72810-0