研究人员在一类被视为具有潜力的镍基材料中识别出细微原子畸变，并认为这些结构变化可能与较高温度下出现的超导性相关。相关成果已发表于《自然》。

该研究由马克斯·普朗克化学物理固体研究所Minerva小组负责人、康奈尔大学达菲尔德工程学院应用与工程物理系（AEP）即将上任助理教授Berit Goodge（2022届）牵头，博士生Lopa Bhatt（2024届）参与。团队与美国及欧洲多家机构的研究人员合作，聚焦双层镧镍氧化物镍酸盐化合物，比较其在高压下的块体晶体形态与在薄膜形态下受应变时的超导表现。

研究的核心问题在于：原子结构中的细微变化，尤其是镍—氧键的改变，如何影响材料的电子性质并进而影响超导性。

为识别这些畸变，研究团队结合多种先进电子显微镜手段，其中包括由康奈尔大学AEP的David Muller（1996届）、Samuel B. Eckert工程物理学教授及其团队开创的电子多重衍射成像技术；同时，研究还使用了由斯坦福大学和哈佛大学合作者开发的薄膜合成技术，参与者包括AEP校友Julia Mundy（2013届硕士、2014届博士）。

镍酸盐化合物因在极端条件下呈现相对较高温度的超导性而受到关注。研究中，团队制备并测量了在不同基底上生长的镍酸盐薄膜，以获得不同程度的应变，并通过系统比较不同应变条件下薄膜的结构特征与电子性质变化，锁定与超导相关的关键结构信号。

研究人员指出，双层镍酸盐的许多结构问题取决于镍、氧原子的精确排列，但这在多种实验技术中难以实现高精度测量。借助多重衍射电子成像技术的最新进展，团队得以对原子位置进行高精度解析与定量测量。

Bhatt表示，在静水压力下直接测量块体晶体中的微小原子畸变具有挑战性，超出当前实验能力；相比之下，受应变的镧镍酸盐薄膜可在静态条件下稳定相关结构，为使用局部原子分辨电子显微镜方法定量测量细微畸变提供平台，并可减少其他表征技术中缺陷带来的伪影。

研究显示，在压缩应变条件下，氧原子会重新排列为较拉伸应变薄膜更高对称性的结构。团队称，这与在极高压力下呈现超导性的块体晶体中观察到的现象相呼应：压缩应变超导薄膜中的镍—氧键模式与极高压超导块体晶体中报道的模式一致。研究人员据此提出，镍—氧结构对称性的提高可能是稳定这些镍酸盐高温超导性的关键因素之一。

此外，团队还观察到，在其超导薄膜中垂直键长增加，而在块体超导晶体中同一键长则减小。研究人员认为，这一差异有助于进一步缩小实现超导性所需的结构调控范围。

为解释结构变化对电子性质的重要性，研究人员基于多重衍射电子成像数据构建模型，分离并分析镍—氧键中倾斜、拉伸与弯曲等耦合畸变的影响。模型结果显示，键长变化会驱动系统能级改变；而对称性变化——尤其是镍—氧八面体的旋转——会显著减少某些电子轨道之间的混合，从而形成更“纯净”的电子结构。研究人员表示，这种变化可能有利于电子配对并实现无阻力流动。

Goodge表示，团队结合合成、表征与理论方面的协作，系统描绘了镍酸盐中细微原子畸变与超导性之间的关系及其可控方式，并称这将有助于理解未来如何通过精细工程设计类似材料以提升超导性能，同时为寻找其他潜在化合物提供线索。