近日，我院司良教授团队在强关联非常规高温超导体研究领域取得重要进展。研究团队针对如何在镧系镍氧化物中实现电子掺杂这一关键难题，创新性提出了一种基于异质结构工程的电子掺杂新机制，利用宽禁带绝缘层插层实现镍氧化物体系的高效电子掺杂，为突破镍基高温超导材料的电子掺杂难题提供了全新的理论方案，并为设计新型高温超导材料提供了一种新的研究思路。
以铜氧化物和镍氧化物为代表的非常规高温超导体的发现，持续推动着凝聚态物理领域的前沿探索。揭示非常规高温超导机理、预测和发现具有更高超导转变温度的新型超导体，始终是该领域的核心科学问题。
自2019年无限层镍酸盐超导体NdNiO2首次被报道以来，镍基超导体因其与铜氧化物在晶体结构和电子结构上的高度相似性，迅速成为国际高温超导研究的热点。随后，Ruddlesden–Popper（RP）相镍酸盐（如La3Ni2O₇和La4Ni3O10）凭借其层状晶体结构和丰富的电子关联行为，进一步拓展了关于镍基超导的研究领域。
与铜氧化物类似，载流子掺杂是调控镍氧化物超导态的关键手段。然而，当前镧系镍氧化物超导体研究主要集中于空穴掺杂方向，而稳定可控的电子掺杂仍然面临巨大挑战，原因在于实现电子掺杂依赖于四价离子对三价稀土离子的替位，但能够稳定替换La3+的正四价元素极为稀缺，导致对于镍氧化物电子掺杂的物性在理论和实验上几乎处于未知状态，成为制约完整镍基超导相图构建和理解高温超导机理的重要瓶颈。
针对这一难题，司良教授团队突破传统化学替位掺杂思路，提出了一种异质结构电子掺杂策略。研究团队利用Ruddlesden–Popper层状结构天然具有良好结构兼容性的特点，在La2NiO4中引入LaAlO3、LaGaO3和LaScO3等宽禁带绝缘层。
插层后额外形成的(LaO)+层能够充当天然电子供体，将电子自发注入相邻La2NiO4层，实现稳定电子掺杂。与传统依赖高价离子替位的方法相比，该策略无需引入任何杂质原子，不会破坏晶格周期性，也不会产生化学无序和局域缺陷，实现了真正意义上的无缺陷电子掺杂，为长期困扰镍酸盐研究的电子掺杂问题提供了一条全新的解决路径。
图.研究团队提出的异质结构电子掺杂机制及理论预测结果。(a) 超晶格结构示意图；(b) 通过插入额外(LaO)⁺层在La2NiO₄中实现本征电子掺杂的机理；(c) 动力学团簇近似(DCA)、涨落交换近似(FLEX)及动力学顶点近似(DFA)计算的不同空穴浓度和温度下的超导本征值；kz=0处的费米面分别由(d) DFT(白线)和DMFT(彩色光谱)、(e) FLEX、(f) DFA计算给出。
为了验证这一原创思想，研究团队综合运用密度泛函理论（DFT）、约束随机相近似（cRPA）、动力学平均场理论（DMFT）、动力学顶点近似（DΓA）、涨落交换近似（FLEX）、动力学团簇近似（DCA）等先进理论方法，对异质结构进行了系统研究，并结合声子计算、第一性原理分子动力学模拟以及热力学稳定性分析，全面验证了所设计材料的电子结构、关联效应及结构稳定性。
计算结果表明，宽禁带绝缘层能够稳定向La2NiO4层输运电子，使La2NiO4获得接近理想电子掺杂状态，为高温超导提供了理想电子环境。多体理论计算显示La2NiO4: La2AlO4异质结构能够进入d波超导的最佳掺杂区域，理论预测超导临界温度超过50K，显示出优于当前无限层镍酸盐体系的超导潜力。同时，研究团队还证明，该电子掺杂机制能够进一步推广至近年来备受关注的双层镍酸盐La3Ni2O7等Ruddlesden–Popper镍酸盐体系，说明该策略不仅适用于单一材料，而是一种具有普适意义的新型电子调控方法。
宽禁带绝缘层能够稳定向La2NiO4层输运电子，使La2NiO4获得接近理想电子掺杂状态，为高温超导提供了理想电子环境。
多体理论计算显示La2NiO4: La2AlO4异质结构能够进入d波超导的最佳掺杂区域，理论预测超导临界温度超过50K，显示出优于当前无限层镍酸盐体系的超导潜力。
同时，研究团队还证明，该电子掺杂机制能够进一步推广至近年来备受关注的双层镍酸盐La3Ni2O7等Ruddlesden–Popper镍酸盐体系，说明该策略不仅适用于单一材料，而是一种具有普适意义的新型电子调控方法。
该研究提出并系统建立了利用异质结构工程实现镍氧化物电子掺杂的新机制，实现了从传统化学替位掺杂向界面电荷转移掺杂的重要理念转变，为长期难以实现电子掺杂的镍氧化物体系提供了新的思路。
研究成果不仅为完善镍基超导电子-空穴完整相图、深入理解非常规高温超导形成机制提供了重要理论支撑，也为利用界面工程设计新型量子功能材料提供了新的思路。更重要的是，该策略具有良好的可拓展性，有望进一步推广至铜氧化物、锰氧化物、钴氧化物、钌氧化物等一系列Ruddlesden–Popper结构强关联电子体系，为关联电子材料设计提供新的理论范式。
研究成果以“Heterostructuring as Gateway to Electron Doping of Nickelate Superconductors”为题，在物理学期刊Physical Review Letters发表，并获Editors' Suggestion（编辑推荐）。西北大学物理学院为第一完成单位和通讯单位，物理学院2025级博士研究生邓超为论文第一作者，司良教授为论文唯一通讯作者。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/qp4p-x6g3
该工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、陕西省高层次人才计划青年项目、陕西省重点研发计划、奥地利科学基金、欧洲研究委员会、德国研究基金会、日本学术振兴会等项目的资助。
西北大学物理学院教授，于2010年和2013年在西北大学物理学院获得学士和硕士学位，2017年博士毕业于维也纳技术大学，2021年加入西北大学，并于2022年和2024年分别入选陕西省和国家级高层次人才计划青年项目。主要从事对凝聚态物理中强关联电子体系的理论模拟以及AI+Physics方面的研究工作，近年来主要研究兴趣为强关联高温超导体，以及人工智能方法在凝聚态物理中的应用。目前共发表论文70余篇，发表在包括Science，Physical Review Letters、Advanced Materials等物理与材料领域主流期刊。