La₃Ni₂O_7-δ中氧空位的实验观测。

　　本报讯 自从1986年铜氧化物高温超导体被发现以来，凝聚态物理学界就致力于在相似结构的镍氧化物中探测可能存在的高温超导体。2023年，中山大学王猛研究组发现双层镍氧化物单晶La₃Ni₂O_7-δ在高压下具有高达80 开尔文的超导转变温度，迅速引起了学术界的广泛兴趣。然而，该体系中较小的超导相比例表明其中可能具有较强的空间不均匀性和电子相分离，因此需要一种局域探测手段来区分样品中的不同相及对应的电子结构。

　　近日，清华大学物理系王亚愚教授研究组合作利用扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱技术，揭示了La₃Ni₂O_7-δ单晶中氧原子空位的特征及其对电子结构的影响。
　　该研究开发了新的能量过滤多片层电子叠层衍射成像技术，成功实现了La₃Ni₂O_7-δ中氧原子空位的原子尺度高精度定量表征。电子叠层衍射（MEP）成像技术是近年来电子显微学领域的重要进展，中国科学院物理研究所特聘研究员陈震此前主导了该技术的突破，实现了优于20皮米的横向分辨率和纳米级别的纵向分辨率。MEP原理上可以用于确定局域原子空位和掺杂原子的数目，但这种定量测量此前尚未在实验中实现。该研究通过引入电子能量过滤器，过滤掉成像中的非弹性散射电子，极大地提高了重构图像的精度，首次实现了原子尺度氧空位含量的精确测量。
　　La₃Ni₂O_7-δ的晶胞由两层NiO₂面组成，而氧原子占据三个不等价的位置：外部顶点位、平面位、内部顶点位（图a）。值得注意的是，内部顶点氧连接相邻两层NiO₂面，为3d_z2电子提供层间耦合和超交换作用，可能是形成高温超导相的一个重要因素。该研究利用MEP直接观测到样品中氧空位的存在（图b），并发现氧空位主要存在于内部顶点位上，而且样品不同区域的氧含量在纳米尺度出现明显区别（图b对应样品区域的氧空位含量统计结果见图c）。
　　研究首次在原子尺度精确测量了氧化物中氧空位的含量，进而将La₃Ni₂O_7-δ中局域氧含量和电子结构直接关联起来，证明体系中存在强p-d轨道杂化和电荷转移机制，为镍基高温超导机理的研究提供了重要的实验依据。同时，研究也发展了一种精确测定原子尺度轻元素含量的技术，为固体材料中普遍存在的原子缺陷提供了一种新的定量表征工具。
　　6月5日，研究成果以“La₃Ni₂O_7-δ中氧空位和自掺杂配体空穴的可视化”为题发表在《自然》（Nature）期刊上。王亚愚、陈震、中山大学物理学院教授王猛和南京大学物理学院教授卢毅为该论文的共同通讯作者，清华大学物理系2021级博士生董泽昊、中山大学物理学院2020级博士生霍梦五、南京大学物理学院2020级博士生李婕为共同第一作者。 （物理系）