清华大学/物理所合作，Nature Materials！
2025-09-18
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研究背景
在高压条件下，La₃Ni₂O₇中的高温超导性引起了广泛关注，然而其超导相却相当脆弱。虽然通过用Pr替代La可以实现体超导，但其潜在机制仍不清楚。另一个令人困惑的问题是氧含量的作用：适度氧化可增强超导性，而高压氧退火则会抑制超导性。
鉴于此，清华大学物理系王亚愚团队以及中国科学院物理研究所陈震特聘研究员/程金光团队合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Interstitial oxygen order and its competition with superconductivity in La₂PrNi₂O₇+δ”的最新论文。本文结合多切片电子ptychography（多切片电子重建成像，MEP）和电子能量损失谱（EELS）表明，Pr掺杂可缓解氧空位并稳定近化学计量的La₂PrNi₂O₇结构。
引人注目的是，高压氧退火会引入间隙氧原子，这些原子排列成条纹有序的超结构，产生过量空穴载流子并改变电子结构，从而最终在高压下抑制超导性。这与铜酸盐形成鲜明对比，在铜酸盐中，类似的氧有序反而能诱导超导性。研究揭示了双层镍酸盐中间隙氧有序与超导性之间的竞争关系，为理解配对机制以及工程化更稳健的超导相提供了关键见解。
研究亮点
（1）实验首次通过多切片电子重建成像（MEP）结合电子能量损失谱（EELS）系统研究了La₂PrNi₂O₇及其高压氧退火样品的氧缺陷分布和结构演变，得到了Pr掺杂可有效缓解氧空位、稳定近化学计量结构并促进高压下体超导性的直接证据。同时发现，高压氧退火会在材料中引入条纹有序的间隙氧超结构，产生过量空穴载流子并改变电子结构。
（2）实验通过对比原始样品（AG）和高压氧退火样品（HPO）的结构、氧分布和电输运特性，揭示了氧含量与空间分布对超导相的关键调控作用：适度氧化能增强超导性，而高压氧退火反而抑制超导性，表现为从超导相向平庸金属相的转变。
（3）这种间隙氧有序与超导性之间的竞争关系与铜酸盐中氧有序促进超导性的规律形成鲜明对比，说明双层镍酸盐具有不同的电子结构调控机制。该研究不仅阐明了Pr掺杂与氧缺陷调控在镍酸盐超导体中的作用机理，而且为通过精确控制氧化学计量与有序程度来设计更稳定、高性能的镍酸盐超导相提供了重要指导。
图文解读
图1:制备后和HPO退火的多晶样品表征。
图2:制备后样品的原子结构。
图3:HPO退火样品中的间隙氧有序。
图4:间隙氧有序的相分离和空穴掺杂。
结论展望
综上所述，本文的实验阐明了氧化学计量比及其空间有序在调控La₂PrNi₂O₇+δ超导性质中的关键作用。具体而言，消除内侧顶点氧空位有利于超导性，而间隙氧的有序排列则强烈不利于超导性。间隙氧有序、轨道依赖掺杂以及高压超导性之间的相互作用，揭示了双层镍酸盐中一种与铜酸盐显著不同的多重序态交织的复杂景观。这些结果不仅加深了我们对镍酸盐超导独特机制的理解，而且为优化材料设计、实现更稳健的高TC相提供了路线图。
原文详情：
Dong, Z., Wang, G., Wang, N. et al. Interstitial oxygen order and its competition with superconductivity in La2PrNi2O7+δ. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02351-2
