【文章链接】
3D Unconventional Superconductivity in Bulk LaO
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.6c00519
【成果简介】
TOC LaO晶体信息及常压与高压下超导转变
近日，海南大学化学化工学院极端条件材料物理与化学团队李满荣教授、韩艺丰副研究员等人，联合中山大学物理学院姚道新教授、中国科学院物理研究所邓正研究员等合作单位，在非常规超导材料研究领域取得重要进展。研究团队通过高压高温合成技术成功获得纯相岩盐结构块体氧化镧（LaO），首次证实其本征超导电性，并揭示了压缩应变下超导转变温度（Tc）反常提升的非常规机制。研究发现，无论是通过Y元素掺杂引入化学压力，还是直接施加物理压力，均能使晶格收缩并显著提升Tc，在20 GPa压力下达到纪录性的12.7 K。密度泛函理论计算表明，压缩应变显著增强了La-5d与O-2p轨道的杂化，促使费米面重构为三维多口袋拓扑，为自旋/轨道涨落驱动的非常规超导配对提供了理想平台。这一发现颠覆了薄膜中“拉伸应变才稳定超导”的传统认知，为理解5d电子体系中的非常规超导机理提供了全新视角。该成果已于2026年发表于国际顶级化学期刊Journal o the American Chemical Society，海南大学化学化工学院硕士生王志帆为为论文共同第一作者（排第一），海南大学李满荣教授和韩艺丰副研究员、以及中山大学姚道新教授、中科院北京物理所邓正研究员为共通通讯作者。
【研究背景】
镧基化合物是超导研究的核心体系，但在绝大多数材料中，镧离子以+3价稳定存在，其5d电子态远离费米能级，仅作为结构支撑或电荷库层，不直接参与物理性质调控。然而，在岩盐结构的单氧化镧（LaO）中，镧呈现罕见的+2价，使得原本“沉睡”的5d电子进入巡游态，为探索基于5d轨道的新型量子现象提供了独特平台。长期以来，关于LaO的本征物态存在争议：早期研究认为块体LaO仅表现为金属性，而近年仅在拉伸应变的薄膜中观测到约5 K的超导电性。这引发了一个根本性科学问题：超导电性究竟是LaO的本征属性，还是界面应变诱导的产物？其配对机制是否遵循传统的电-声子耦合理论？
图1.块体LaO的晶体结构与超导电性表征。
图2压力诱导的超导相图与12.7 K最高临界温度。
【核心突破】
针对上述问题，研究团队开展了系统的实验与理论工作，主要发现如下：
1. 本征超导电性的确立：通过高压高温（5 GPa, 1573 K）合成技术成功获得纯相块体LaO，常压下即表现出本征的第二类超导电性，临界温度约6 K，高于此前薄膜中5.37 K的报道值。磁化率测量显示超导屏蔽分数接近100%，比热测量进一步证实了体超导性质，首次澄清了LaO本征物态的长期争议。
2. 压力诱导的Tc反常提升：无论是通过Y元素掺杂引入化学压力（晶格收缩），还是直接施加静水压，均能显著提升超导转变温度。在Y掺杂x = 0.10时，Tc升至6.9 K；在20 GPa物理压力下，Tc达到创纪录的12.7 K，创下镧单硫族化物（LaX, X = O, S, Se, Te）家族最高纪录。值得注意的是，这一现象与薄膜中拉伸应变才稳定超导的认知完全相反。
3. 理论与实验的根本性矛盾：密度泛函理论计算显示，压缩应变导致费米能级处的电子态密度降低约17%。根据传统BCS电-声子耦合理论，态密度降低必然抑制Tc。然而实验观测到Tc大幅上升，这一根本性矛盾为非常规超导配对机制提供了关键证据。
4. 轨道杂化与费米面重构机制：理论计算揭示，压缩应变显著增强了La-5d与O-2p轨道的杂化，促使费米面由简单结构重构为三维多口袋拓扑。这种三维多带结构有利于自旋或轨道涨落作为配对媒介，从而驱动非常规超导。紧束缚参数拟合显示，轨道内和轨道间跃迁参数均显著增大，证实了电子巡游性和轨道杂化的增强
图3 压缩应变下的电子结构演化与费米面重构。
【重要意义与普适性前景】
本研究发现的双重调控规律——化学压力与物理压力均可提升Tc，且与薄膜应变效应完全相反——不仅明确了块体LaO的本征非常规超导属性，更揭示了5d轨道体系中的独特物理机制。
建立了基于轨道工程的超导调控新范式：通过压缩应变增强La-5d与O-2p轨道杂化，重构费米面拓扑，为利用晶格调控实现超导性能优化提供了新思路。
提出了三维多口袋费米面驱动非常规超导的物理图像：这一机制与铜氧化物、铁基超导体中的二维机制形成互补，拓展了非常规超导的材料空间。
由于多价态是稀土化合物的普遍特征，这一框架有望推广至其他具有活性d/f电子的稀土氧化物体系（如SmO、EuO、YbO等），为开发新型非常规超导材料提供理论指导。
【致谢】
衷心感谢国家自然科学基金（项目批准号：22531001, 22090041, 22575071, 12404007, 12494591, 92165204, 92565303）、广东省基础与应用基础研究基金（项目批准号：2022B1515120014）、广东省量子科学战略专项（项目批准号：GDZX2401010）、中国科学院基础研究青年科学家项目（项目批准号：YSBR-030）、国家重点研发计划（项目批准号：2022YFA1403900）、河南科学院高层次人才科研启动基金（项目批准号：241827046, 242027151, 241827022）、河南科学院基础研究基金（项目批准号：240627005）以及北京凝聚态物理国家研究中心（项目批准号：2023BNLCMPKF006）的资助。同步辐射实验在日本SPring-8的BL44B2线站（实验提案号：2025A1497）和上海同步辐射光源（SSRF）的BL14B线站完成，感谢相关机构与工作人员的支持。
【通讯作者简介】
李满荣教授简介：海南大学化学化工学院副院长，教授，博士生导师，教育部“重大人才工程奖励计划”特聘教授，第十二批“青年千人计划”入选者，广东省“珠江人才计划”引进创新团队入选者。2005年中科院上海硅酸盐研究所获得博士学位，2016年入职中山大学化学学院，2022年调入海南大学。长期从事高压无机固体化学研究，特别是深地深海等超高压下新型无机固体材料的制备和表征。近年来，结合理论计算，发展大数据挖掘和高通量计算-结构和功能导向的理论预测和超高压精准合成-亚稳态截留的极端条件固体化学方法学，聚焦新型磁电量子材料、多铁、高温超导、深海防腐、智能节能环保涂料等。迄今在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、 J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Natl. Sci. Rev. 等期刊发表论文130多篇，授权专利7项，软件著作权1项，主编《高等结构化学》数字教材一部。先后主持国家自然科学基金重大项目课题、重点项目、面上项目、广东省珠江人才计划项目、粤莞联合基金重点项目等2000多万元。担任中国化学会高压化学专委会委员、中国稀土学会第七届稀土专业委员会委员、国家散裂中子源第一届用户委员会委员、广东省化学会无机化学专委会秘书、广东省化学会青年专业委员会委员、Chinese Chemical Letters编委、科技部重点研发计划重点专项评审专家等。承办/协办中国化学会第二、三届全国高压化学学术讨论会、大湾区综合粒子设施论坛、高压前沿研究-极端条件下的物质科学《自然》学术会议等。
韩艺丰副研究员简介：2020年毕业于中山大学，获博士学位，后于亚利桑那州立大学FORCE高压中心，Materials of the Universe (MotU)从事博士后研究，师从美国科学院院士Alexandra Navrotsky教授。担任“十四五”系列丛书《高等结构化学》主编，主持国家自然科学基金青年科学基金项目。在PNAS、J. Am. Chem. Soc等期刊发表SCI论文40多篇。研究方向以极端条件下新型无机固体材料的制备、表征及功能开发，以高压技术为核心，结合同步辐射、中子散射等先进表征技术，致力于超高温高压环境下材料的可控合成及亚稳态截留。研究领域涵盖材料科学、凝聚态物理、晶体学及超高压技术等多学科交叉前沿，重点探索磁电量子材料与超导材料的物性调控机制，同时开展稀土材料在极端条件下的功能化应用研究。
姚道新教授简介：中山大学物理学院教授、博士生导师、理论物理学科负责人。1994年获浙江大学物理学学士学位，1996-1997年参加日本福井大学交换研究生计划，1998年获浙江大学理论物理硕士学位，2007年获美国波士顿大学凝聚态理论博士学位。2007-2009年先后在美国普渡大学、田纳西大学及橡树岭国家实验室从事博士后研究，2009年12月起任职于中山大学，2016年担任理论物理学科负责人，2016年5月至2020年10月任物理学院副院长。主要研究方向为关联电子体系，涵盖高温超导、量子磁性、拓扑物理及计算物理等领域。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目，在Nature、Nature Physics、Physical Review Letters等期刊发表论文190余篇，提出镍氧超导体多轨道模型及拓扑磁子爱因斯坦-德哈斯效应理论，近期在常压镍基超导薄膜、三层及稀土掺杂镍氧超导体理论以及交错磁体高阶拓扑磁子等方面持续取得进展。获宝钢优秀教师奖（2021）、南粤优秀教师（2025）、广东特支计划领军人才（2016）等荣誉，兼任广东省物理学会秘书长、中国物理学会低温物理专业委员会委员。
邓正研究员简介：2006年毕业于哈尔滨工业大学，材料物理系。2012年于中科院物理研究所获理学博士学位，之后入所工作。2014-16年在美国Rutgers大学从事博士后研究。主要研究方向:1 电荷与自旋掺杂机制分离的新型磁性半导体的物理机制研究。2 磁性半导体与铁基超导体的新颖异质结构建。3 极端条件下新型氧化物磁性半导体的探索。过去的主要工作及获得的成果:磁电演生现象源于晶格-自旋-电荷-轨道间的多重耦合，其材料具备丰富的量子功能和巨大应用潜力。申请人围绕高压为主的多重极端条件研制和调控，开展了磁电演生新材料的设计探索与研究：1发现了极低冷却场的磁交换偏置材料，极大提升了应用潜力；2首次在钙钛矿材料中发现压力诱导的有序至无序转变，打破了常压固有的化学直觉；3研制了电荷与自旋分别掺杂的新型稀磁半导体，实现了化学内压对材料性能的高效优化与调节，突破了经典稀磁半导体的重要瓶颈。共发表SCI论文80余篇，其中第一或通讯作者发表Nat. Commun.，Adv. Mater.（首页插图文章），Angew. Chem. Int. Ed.（内封文章），Chem. Mater.等17篇，单篇最高引用140余次。授权发明专利9项，做国际邀请会议报告5次，荣获2016年国家自然科学二等奖、2018年中国材料学会科学技术一等奖，2022年度北京市自然科学奖一等奖，2023年中国晶体学会青年科技奖，获北京市科技新星人才项目资助，入选中科院青年创新促进会及首批中科院稳定支持青年团队，受聘中科院特聘研岗位（骨干），担任Journal of Semiconductors青年编委。
【第一作者介绍】
王志帆，海南大学2023级硕士研究生，导师是韩艺丰副研究员和李满荣教授，研究方向为极端条件材料与化学。攻读硕士学位至今，以第一作者身份在J. Am. Chem. Soc期刊发表研究论文1篇，申请发明专利2项。
毕敬凯、2023-07至今, 河南省科学院, 量子材料与物理研究所, 助理研究员4. 研究领域：主要从事超高压下超导富氢化合物的合成与表征。其中以第一/共一作者身份在Nat. Commun., Phys. Rev. Lett., Mater. Today Phys.等期刊发表多篇学术论文。
张嘉媛，中山大学2024级博士研究生(导师：姚道新教授、龚寿书教授)，主要研究方向为第一性原理计算与DMRG数值模拟，聚焦强关联体系与低维材料的物性研究。参与多项国家自然科学基金项目，以第一/合作作者在JACS、Physical Review B等期刊发表多篇学术论文。
