高温超导的微观起源至今仍是凝聚态物理最重要的未解问题之一。近年来，双层Ruddlesden–Popper（RP）镍酸盐受到广泛关注：其块体材料可在高压下实现约100 K的超导，外延薄膜则可在常压下进入高温超导态。与电子结构高度二维化的铜氧化物不同，双层镍酸盐除具有面内Ni 3d_x2-y2和O 2p_x,y电子态外，相邻NiO₂层还可通过顶点氧形成Ni 3d_z2–O 2p_z–Ni 3d_z²层间通道。这一连接双层NiO₂面的电子通道究竟只是与超导同时出现，还是超导形成的关键条件，是理解双层镍酸盐的重要问题。

近日，浙江大学物理学院谢燕武教授课题组联合南京大学卢毅教授、北京大学彭莹莹教授课题组，在常压双层镍酸盐薄膜中揭示了氧化学计量与外延应变在常压超导形成中的不同作用。课题组负责样品制备与输运表征，发展了非晶氧化物保护层策略，使超导样品在X射线谱学测量中保持稳定，为直接探测其电子与磁性结构提供了关键材料基础。

薄膜样品的稳定可控制备是本研究面临的首要挑战。双层镍酸盐超导薄膜对氧化学计量比极为敏感，常规薄膜在测量或放置中易失氧退化。研究团队用脉冲激光沉积先在SLAO(001)衬底上外延生长LaPr₂Ni₂O_7+δ薄膜，再沉积约1 nm的PrBa₂Cu₃O₇（PBCO）非晶氧化物覆盖层。这一保护层策略能有效抑制超导电性的退化速度，在XAS和RIXS测量前后，超导起始温度与零电阻温度均保持不变（图1）。该设计使研究团队能够直接探测稳定超导薄膜的电子结构和磁性结构。

图1非晶PBCO保护层稳定双层镍酸盐超导薄膜。

以往实验表明，提高氧含量和施加压缩外延应变均可推动双层镍酸盐向超导态演化，但两者在实际薄膜中往往同时变化。氧缺陷既会改变载流子浓度，也会破坏局域Ni–O配位；外延应变则会调节Ni–O–Ni键角和层间跃迁。因此，仅凭氧含量或应变与超导的同步变化，难以判断二者是否发挥相同作用及其作用层级。为将这两个因素区分开来，研究团队制备了相似厚度和应变接近的处于绝缘、超导、过掺金属态的不同LaPr₂Ni₂O_7+δ外延薄膜。结果表明外延应变本身不足以诱导超导，适宜氧化学计量才是建立相干层间通道的前提。

图2 XAS/RIXS/REXS揭示层间杂化与磁性重构。

接着与合作团队利用X射线吸收谱（XAS）、共振非弹性X射线散射（RIXS）和共振弹性X射线散射（REXS），系统比较了各样品的电子态、轨道激发和磁有序（图2）。研究结果揭示了从绝缘态经超导态到金属态的统一物理图像（图3）。绝缘样品的内顶点氧空位破坏Ni–O–Ni层间网络，使d_z²电子局域并稳定静态自旋密度波；进入超导态后，面外d_z²态逐步金属化，相干d_z²–p_z–d_z²层间杂化建立，静态自旋序被强烈抑制，磁激发特征能量基本不变但阻尼显著增强；继续增加载流子至金属态，电子关联减弱，超导消失。由此，研究提出完整“超导窗口”：氧缺陷过多则层间通道破坏、电子局域；氧化学计量与应变适宜时，层间杂化相干、竞争序受抑并出现超导；过掺后关联过弱，超导再次消失。这一微观图像不仅澄清了双层镍酸盐常压超导形成的关键条件，也为通过氧位点调控与界面应变工程协同设计镍基超导材料提供了物理依据。 

图3绝缘—超导—金属演化微观图像。

该研究成果以“Interlayer hybridization promotes superconductivity in bilayer nickelates”为题，于近期发表在《NatureMaterials》上。北京大学物理学院博士生张世龙、浙江大学博士后张蒙和南京大学博士生罗琪凌为论文共同第一作者；浙江大学谢燕武教授、南京大学卢毅教授和北京大学彭莹莹教授为论文共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目资助。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02750-z