应变调控双层镍酸盐薄膜的结构变化

近年来，科学家在高压下的块体La₃Ni₂O₇和外延薄膜中相继发现高温超导现象，引发广泛关注。人们推测，镍原子与氧原子之间成键环境的细微变化是稳定超导态的关键，但具体是哪些化学键、发生何种结构改变起主导作用，一直不清楚。由于目前实验技术难以在高压下直接观测原子尺度结构，研究人员转而利用衬底调控的方式，在常压下制备出不同双轴应变程度的La₃Ni₂O₇薄膜——这种‘静态应变’样品更适合作为高分辨结构研究的平台。本文采用多片层电子叠层成像技术（MEP），首次在皮米（万亿分之一米）精度上，系统测量了多种应变状态下薄膜的原子结构，同时解析出金属阳离子（镧、镍）和氧原子的位置。通过追踪应变如何影响各类原子键长、键角及八面体畸变，研究团队得以分离并厘清不同结构特征对超导的贡献。结果表明：在压缩应变下，镍氧八面体的对称性被提升（即畸变减小），导致晶体整体对称性升高，这是驱动超导出现的核心结构因素；同时，面内晶格压缩——即薄膜平面方向上的收缩——被确认为块体高压超导与薄膜应变超导共有的关键特征。在此基础上，作者进一步构建了一个新理论模型，用于解耦共角连接的八面体中相互耦合的多种结构畸变。该模型指出：无论是高压还是压缩应变，这两种已知的超导实现方式，都通过提高八面体对称性，有效抑制了镍原子低能电子带中t₂g轨道之间的混合，从而为超导电子配对创造了更有利的电子结构环境。