钙钛矿稀土镍氧化物（ReNiO₃）具有丰富的电磁输运性质，近期因拓扑结构相变导致的超导电性备受关注。ReNiO₃系列氧化物通常随着温度降低会发生金属-绝缘体相变，而LaNiO₃是其中独特的存在，它在所有温度下都保持着顺磁金属态，这种差异主要归因于NiO₆氧八面体旋转模式的不同。不同的旋转模式会影响Ni-3d轨道和O-2p轨道间的杂化程度，最终显著改变材料的电子结构和输运性质。此前，理论预言如能在准二维的LaNiO₃中实现大的面内轨道极化，其电子结构将类似于高温超导铜氧化物，可能导致超导性。然而，Ni-3d和O-2p间的强杂化效应会大幅抑制轨道极化，同时“电死层”效应也使得超薄LaNiO₃变得高度绝缘，因此在实验上难以真正实现理论预言的这种LaNiO₃电子态。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M03组近年来致力于氧化物异质界面物性设计及调控方面的研究工作。最近，该组博士研究生时文潇在陈沅沙副研究员、孙继荣研究员的共同指导下，联合物理所刘邦贵研究员，利用LaNiO₃（$a^{-}{a}^{-}{c}^{-}$）和CaTiO₃（$a^{-}{b}^{+}{a}^{-}$）的氧八面体旋转模式的不匹配性，通过将两种材料的超薄层交替堆叠，形成超晶格结构，成功在超薄LaNiO₃层中诱导出了$a^{-}{a}^{-}{c}^{+}$的非平衡氧八面体旋转模式。与传统的$a^{-}{a}^{-}{c}^{-}$模式相比，这一亚稳态的旋转模式更有利于高电导率金属相的形成。

　　研究发现，在张应变衬底上外延生长的LaNiO₃子层厚度仅为2个单胞时，超晶格样品仍展现出金属性导电，这在之前其他调控手段下均没有实现。此外，该体系中的LaNiO₃薄层还表现出强烈的$d_{x^2-y^2}$面内轨道极化，极化率高达35 %，这是目前报道的在LaNiO₃体系中实现的最高面内轨道极化度。X射线吸收谱结果表明，$a^{-}{a}^{-}{c}^{+}$的旋转模式将增强LaNiO₃中Ni-3d轨道和O-2p轨道杂化，从而在超薄LaNiO₃层中保持了金属性。因此，在该体系中的准二维LaNiO₃薄层将同时具有良好的金属性导电和大的面内轨道极化，满足了高温超导铜氧化物中载流子的基本特征（无轨道简并、自旋1/2、准二维和反铁磁关联），为进一步在钙钛矿相LaNiO₃中探索超导电性提供了新的可能性。该工作显示，通过将不同氧八面体旋转模式的氧化物材料合成外延异质结，将可能获得具有不同于体相旋转模式的氧化物界面相，为调控钙钛矿氧化物中的轨道-晶格关联并激发其潜在物性提供了新思路。

　　相关成果以“Improved Conduction and Orbital Polarization in Ultrathin LaNiO₃ Sublayer by Modulating Octahedron Rotation in LaNiO₃/CaTiO₃ Superlattices”为题，发表于Nature Communications 15, 9931(2024)上。M03组博士生时文潇、T02组博士生郁博文、松山湖材料实验室张静副研究员为共同第一作者，通讯作者为刘邦贵研究员、陈沅沙副研究员和孙继荣研究员。该工作受到了科技部、国家自然科学基金委项目、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院重点项目的支持。该工作利用国内的大科学装置包括上海同步辐射光源的BL02U2和BL08U1A线站等。

　　原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54311-0

图. (a)-(c) 体系的结构表征 (d) 轨道杂化和轨道极化表征