化学掺杂诱导La3Ni2O7块体材料的常压绝缘体-金属转变：镥掺杂的突破性调控

为解决高压超导态难以常压稳定的难题，研究人员通过稀土元素掺杂调控La3Ni2O7镍酸盐体系。发现Lu3+掺杂可诱导常压绝缘体-金属转变，揭示了化学压力对强关联电子态的调控作用，为无压力条件下探索镍酸盐量子相变提供了新策略。该成果发表于《Materials Today Physics》。

　　

近年来，镍酸盐材料因其与铜基高温超导体的相似性而成为凝聚态物理研究的热点。特别是La₃Ni₂O₇在80K高压下展现的超导特性，引发了科学家们对实现常压稳定该量子态的迫切追求。然而，极端物理压力条件的限制，以及薄膜材料在应用上的局限性，使得开发块体材料的常压调控方法成为领域内亟待突破的关键科学问题。

中国科学院物理研究所的研究团队另辟蹊径，采用化学掺杂这一创新策略，通过系统引入离子半径较小的稀土元素（Y、Nd、Dy、Lu）替代La₃Ni₂O₇中的La³⁺位点，成功实现了材料电子态的精准调控。研究发现，虽然Y、Nd和Dy掺杂样品仍保持半导体特性，但最重的稀土元素Lu的引入却意外触发了常压绝缘体-金属转变（IMT）。这一突破性发现证实了化学压力可替代物理压力调控强关联电子体系，为探索镍酸盐材料的奇异量子态开辟了新途径。相关成果发表在材料物理领域顶级期刊《Materials Today Physics》上。

研究团队主要采用固相反应法合成掺杂样品，通过X射线衍射确认晶体结构，并系统测量了电阻率-温度关系。关键实验技术包括：多步烧结工艺（1075-1100℃）、X射线衍射物相分析、变温电阻测量等。

【实验方法】部分显示，研究人员通过精确控制烧结温度和时间（1075℃和1100℃各4小时），制备出高质量的掺杂样品。X射线衍射数据证实所有样品均保持La₃Ni₂O₇的晶体结构，为后续物性研究提供了可靠的材料基础。

【实验结果】部分揭示，未掺杂的La₃Ni₂O₇呈现典型半导体行为，在127K附近出现电阻极小值，这与密度波转变特征相符。引人注目的是，Lu掺杂样品在常压下展现出金属性导电行为，电阻率随温度降低而单调下降，完全不同于母体材料的输运特性。

【讨论与总结】部分指出，Lu³⁺（离子半径0.861?）与La³⁺（1.032?）的显著尺寸差异产生的化学压力，有效调控了Ni 3d电子关联强度，从而诱导出金属基态。虽然尚未实现常压超导，但该工作证实化学掺杂可替代高压条件调控镍酸盐电子态，为后续研究提供了重要启示。

这项研究的重要意义在于：首先，确立了化学掺杂作为探索关联电子材料新物态的有效手段；其次，揭示了离子尺寸效应在调控镍酸盐电子关联中的关键作用；最后，为开发无需极端条件的量子材料提供了新思路。研究团队特别指出，化学掺杂与高压测量的协同研究将有助于全面理解镍酸盐的相图，这对推动高温超导机理研究和实用化发展具有深远影响。