Nature Materials：层间杂化促进双层镍酸盐的超导性

Ruddlesden–Popper 镍酸盐为超越铜氧化物和铁基超导体的高温超导研究开辟了新前沿，其中双层镍酸盐La3Ni2O7在高压下表现出接近 80–90 K 的超导转变温度，并可通过外延应变和化学取代在常压薄膜中稳定到约 60 K，呈现出绝缘、金属和超导并存的丰富相图；与铜氧化物或无限层镍酸盐不同，这类体系具有dx²−y²与dz²多轨道电子结构，并通过相邻NiO2面之间的顶角氧耦合，因而层间磁交换、轨道选择性配对、结构、氧化学计量以及竞争密度波序都被认为可能决定超导，但其微观起源仍争议激烈，核心障碍在于高压块体样品难以直接谱学测量，而常压薄膜又对氧损失和结构不均匀极其敏感。

成果简介

北京大学彭莹莹课题组联合南京大学卢毅、浙江大学谢燕武等研究者通过优化生长条件并引入保护性覆盖层，稳定了可承受 X 射线吸收谱和共振非弹性 X 射线散射测量的超导(La,Pr)3Ni2O7薄膜，从而直接追踪绝缘、超导和金属样品中面内与面外电子态、自旋和轨道激发以及自旋密度波关联的演化；结果表明，巡游性dx²−y²态构成面内电子骨架，而超导的出现伴随相干dz²–pz–dz²层间杂化、静态自旋序抑制和强阻尼自旋激发，氧化学计量与外延应变共同调节该层间通道，使超导只存在于层间相干性狭窄窗口内，并由此建立了双层镍酸盐超导的多轨道图像。

相关研究成果以“Interlayer hybridization promotes superconductivity in bilayer nickelates”为题，发表在Nature Materials上。

图文导读

图1 LaPr2Ni2O7+δ薄膜的结构和电阻

图1显示了 LaPrNiO 薄膜的结构与输运性质，其中 a 为薄膜结构示意图，包括 SLAO(001) 衬底、LaPrNiO 薄膜以及约 1 nm 的非晶 PBCO 保护覆盖层；b 给出了两个绝缘样品、两个超导样品和一个金属样品的电阻–温度曲线，图例标明 Insulator1 为 14 nm、Insulator2 为 8 nm、SC1 为 7 nm、SC2 为 8 nm、Metal 为 8 nm，SC1 和 SC2 的起始转变温度约为 30 K，而 SC1 的零电阻温度约为 10 K，说明其相位相干性更好；正常态中金属和超导样品符合并联电阻模型并呈现费米液体样行为，绝缘样品则符合三维 Mott 变程跳跃加跨密度波能隙热激活输运；c 比较了 SC1 和 SC2 在 XAS 和 RIXS 测量前后的 R–T 曲线，尽管整体电阻因部分降解而升高，但起始转变温度和零电阻温度均保持不变，证明超导性在谱学测量过程中得以保留。

图2 通过O K边和Ni L3边XAS揭示的电子态

图2显示了 O K 边和 Ni L3 边 X 射线吸收谱所揭示的电子态重构，其中 a 的面内 O K 边前边谱随绝缘→超导→金属演化系统向低能移动，说明空穴掺杂增加；b 的面外 O K 边前边谱由约相隔 1 eV 的两个分量组成，二者均向低能移动且谱重从高能分量转移到低能分量，表明 dz² 派生态发生显著重构，面外轨道在电子重构中起核心作用；c、d 的 DFT 计算针对不同氧构型再现了整体能量移动，面内谱与较巡游的 dx²−y² 态相符，而非磁 DFT+U 只能再现低能面外分量，说明高能谱重需要关联效应甚至反铁磁解；e 的正常入射 π 偏振 Ni L3 边 XAS 主要探测面内轨道，绝缘样品显示 d6 与 d6L 两个特征峰，超导和金属样品中面内 d6 峰宽化并移向高能，表明 Ni 价升高；f 的斜入射 Ni L3边 XAS 主要探测面外轨道，绝缘样品高能 d6L 谱重减少，说明 c 轴 Ni–O 杂化被抑制，支持内层顶角氧空位存在，而超导与金属样品 Ni L3 边几乎不变、O K 边却显著演化，说明该体系是电荷转移型体系，掺杂空穴主要位于氧配体。

图3 通过Ni L3边缘RIXS探测轨道和自旋激发

图3显示了 Ni L3边 RIXS 探测的轨道和自旋激发，其中 a 为 RIXS 测量几何示意，b–d 为绝缘、超导 SC2 和金属样品的偏振依赖 RIXS 谱；绝缘样品在约 −0.4 eV、−1 eV 和 −1.5 eV 处有三个明确定义的峰，其中 −0.4 eV 和 −1.5 eV 峰表现出强偏振依赖，而进入超导和金属态后这些激发明显宽化，−0.4 eV 模式被强烈抑制，−1.5 eV 特征失去偏振依赖，说明局域dz²相关轨道激发随载流子引入和层间跳跃激活而减弱，轨道选择性降低并趋向更各向同性的电子特征；e 展示了 q=(0.1,0.1,L) r.l.u. 处约 70 meV 的磁激发，拟合表明其特征能量在绝缘、超导和金属态中基本不变，但宽度急剧增加，即从明确定义的磁子 crossover 为强阻尼的巡游自旋激发，表明电子巡游性增强而底层自旋交换相互作用仍较稳健。

图4 SDW的演变

图4显示了自旋密度波序的演化，其中 a 为 Insulator1 的 RIXS 积分弹性强度，b 为 Insulator2 的 REXS 强度，c 为 SC2 的 RIXS 积分弹性强度，所有测量均沿 (H,H) 方向在正负动量转移下使用 π 偏振入射 X 射线；两个绝缘样品在 (0.25,0.25) r.l.u. 附近表现出明显的对称 SDW 峰，而超导样品中该峰被强烈抑制，仅留下弱的残余准弹性强度；d–f 的温度依赖积分弹性强度表明，绝缘、超导和金属样品的 SDW 峰均随升温而减弱，并在约 160 K 以上消失；g 的 c 轴 XRD 曲线显示 Insulator1 具有明显不同的 c 轴晶格参数，与其部分应变弛豫状态一致，而 Insulator2 与超导和金属样品一样保持共格应变；h 为自旋序峰强度的温度依赖，Insulator1 的 SDW 波矢以衬底晶格定义为 0.246 r.l.u.，而以块体晶格常数表示为 0.250 r.l.u.，说明其部分弛豫，但 Insulator2 在与超导薄膜相同应变下仍保留 SDW，表明应变本身并不抑制自旋序。

图5 从绝缘体到超导体再到金属的演变

图5显示了从绝缘到超导再到金属的电子结构与磁性演化总结，其中 a 为样品结构和氧构型示意，绝缘样品符合内层顶角氧缺位，Insulator1 较厚且部分应变弛豫、接近常压块体结构，Insulator2 及超导和金属样品保持较强应变，金属样品则符合额外间隙氧；b 为面内 O K 边前导峰能量，反映费米能位置并表明从绝缘到超导到金属空穴掺杂增加；c 为面外 O K 边前导峰与总前边强度之比，代表 Ni dz² 轨道在费米能附近的态密度，其增加信号 dz² 逐步金属化；d 为 Ni L3 边 RIXS 提取的磁激发阻尼参数 f，显示随巡游性增加阻尼增强；e 为 RIXS 积分 SDW 峰强度，显示进入超导和金属区后磁序被抑制；这些结果共同表明，超导出现在层间相干性已经建立但关联尚未被完全淬灭的中间窗口，氧化学计量和应变共同调节载流子密度与层间相干性，−0.4 eV轨道激发宽化并抑制、偏振依赖降低说明局域dz²相关激发减弱和层间dz²–pz–dz²杂化增强，而金属样品中额外间隙氧导致过掺杂、弱化关联并抑制超导，从而将氧确立为同时控制载流子密度和层间电子相干性的双重调节参数。

结论展望

从绝缘到超导再到金属的演化主要体现在面外电子结构，即双层内相干dz²–pz–dz²键的激活，而面内dx²−y²态则逐渐演化；氧化学计量和应变协同调节空穴密度与层间耦合，从而控制轨道选择性电子态并抑制竞争序，使超导仅在静态自旋密度波序被抑制而稳健自旋交换仍保留的窄氧化学计量窗口中出现。因此，氧是同时调控载流子密度和层间通道电子相干性的双重参数，该工作提供了双层镍酸盐超导的多轨道框架，并指出可通过 La 位电子取代补偿间隙氧引起的空穴掺杂，以解耦载流子掺杂与关联调控、拓宽合成窗口并稳定超导。

文献信息

Zhang, S., Zhang, M., Luo, Q. et al. Interlayer hybridization promotes superconductivity in bilayer nickelates. Nat. Mater. (2026). https://doi.org/10.1038/s41563-026-02750-z

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