铜氧化物高温超导体被发现近四十年来，其机理仍是一个未解之谜，被《科学》杂志列为“125个重大科学难题”之一。近年来镍氧化物超导体的发现为理解高温超导机理提供了新的平台和视角。然而，镍氧化物的超导性质对样品质量、氧含量以及可能存在的杂相极为敏感，使得部分实验中观测到的超导含量偏低，制约了对其本征物理机制的深入探究。因此，研制并研究具有优异块体超导特性的镍基材料，对破解高温超导机理和设计新型超导材料具有重要意义。

近日，复旦大学物理系赵俊教授课题组与上海前瞻物质科学研究院曾桥石研究员课题组合作，利用高压光学浮区技术成功制备了高质量的三层镍氧化物Pr₄Ni₃O₁₀单晶，并在压力诱导下实现了临界温度超过40 K的块体超导电性。热力学和输运测量表明，在约56.7 GPa压力下，Pr₄Ni₃O₁₀的超导临界温度（T_c）达到40.2 K，且超导含量达到88%。这一结果不仅高于此前在La₄Ni₃O₁₀ 体系中所观测到的 30 K 超导临界温度，更进一步证明了三层镍氧化物在较高温度下展现本征块体超导特性。同时，该研究也明确了通过化学压力和晶格调控提升镍基超导临界温度的关键途径。

为了进一步理解超导机理，研究团队借助同步辐射X射线衍射技术，清晰捕捉到压力下晶格结构的细微演变：晶格从较低对称性的单斜结构转变为更高对称性的四方结构；层间的Ni–O–Ni键角也从约 161度增大至 180 度，从而增强了镍氧层间的耦合作用，并有利于超导电子对的形成。此外，通过晶体结构精修发现，小离子半径的Pr³⁺引入了显著的“内部化学压力”，不仅有效调控了晶格参数，还进一步增强了磁交换作用，为实现更高临界温度提供了有力支撑。值得注意的是，实验还揭示了中等压力区间内自旋/电荷密度波序与零电阻和迈斯纳效应共存的现象，为深入理解自旋序、电荷序与超导电性之间的微观联系提供了新线索。

该研究成果以“Bulk Superconductivity in Pressurized Trilayer Nickelate Pr₄Ni₃O₁₀ Single Crystals”为题，于北京时间 4月 8 日在国际权威物理期刊《物理评论 X》（Physical Review X）上发表。此前，赵俊教授团队已在三层镍氧化物La₄Ni₃O₁₀单晶中观察到压力诱导的 30 K超导电性（超导含量 86%），首次在镍氧化物中实现了块体超导，相关研究成果刊载于《自然》（Nature 631, 531, 2024），并被该杂志以“超导探索领域进一步拓宽”为题进行亮点推荐和报道（Nature 631, 509, 2024）。本次研究在此基础上，进一步揭示了化学压力与晶格调控对于提升镍基超导临界温度的关键作用，为实现更高的超导临界温度并深入理解镍基高温超导机理提供了重要指引。

本项研究由复旦大学赵俊教授课题组主导，赵俊教授和上海前瞻物质科学研究院曾桥石研究员为共同通讯作者，复旦大学物理学系张恩康博士生、上海前瞻物质科学研究院彭帝博士后和复旦大学物理学系朱英浩博士后为共同第一作者。研究得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会的联合资助。部分实验数据采集于上海同步辐射光源大科学平台，实验过程中获得了王兴亚研究员的支持与协助。

图示说明：（a）Pr₄Ni₃O₁₀单晶样品在不同压力条件下的电阻温度曲线；（b）零电阻现象；（c）超导转变起始温度；（d）压力下的相图。

文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.15.021008