【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】繼2019年無限層鎳氧化物超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)之后，2023年中國科學(xué)家在雙層和三層鎳氧化物的高壓實(shí)驗中又先后發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，最大轉(zhuǎn)變溫度分別達(dá)到80K和30K。而在銅氧化物中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的最高紀(jì)錄出現(xiàn)在三層結(jié)構(gòu)。兩類超導(dǎo)相反的層數(shù)調(diào)控規(guī)律可能意味著截然不同的配對機(jī)理。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心EX9組的楊義峰研究員曾與合作者一起，提出了無限層鎳氧化物超導(dǎo)體的Mott-Kondo理論【PRB 101, 020501(R) (2020)；PRB 102, 220501(R) (2020)】和新的電荷序機(jī)理【Nat. Commun. 14, 5477 (2023)】并進(jìn)行了實(shí)驗驗證【Natl. Sci. Rev. 10, nwad112 (2023)；Nat. Commun. 14, 7155 (2023)】，后來又提出了雙層鎳氧化物高溫超導(dǎo)的最小t-V-J模型和兩分量層間配對理論【Phys. Rev. B 108, L140504 (2023)；Phys. Rev. B 108, L201108 (2023)；Phys. Rev. B 109, L081105 (2024)】。
最近，楊義峰研究員指導(dǎo)博士生秦瓊(已畢業(yè))，與杭州師范大學(xué)王江帆教授合作，將上述理論推廣到三層鎳氧化物，解釋了最大超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的反常抑制。兩分量超導(dǎo)的微觀圖像為，鎳離子上接近半滿的3dz2電子提供了鄰近兩層間形成庫珀對所需的作用力，遠(yuǎn)離半滿的巡游3dx2-y2電子與其雜化，推動庫珀對沿層內(nèi)方向流動并發(fā)生相位相干，凝聚為宏觀超導(dǎo)態(tài)。在三層結(jié)構(gòu)中，這種不同尋常的層間配對機(jī)制會導(dǎo)致奇異的阻挫超導(dǎo)現(xiàn)象：倆外層上的電子同時欲與內(nèi)層電子配對，彼此競爭而相互抑制，導(dǎo)致Tc的極大削減。數(shù)值模擬顯示，三層結(jié)構(gòu)中超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與層間超交換相互作用的最大比值約為0.02-0.03，比雙層的0.04-0.05要低一半左右。這一圖像已得到初步的實(shí)驗支持。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，鎳的3d電子具有很大的層間反鐵磁超交換相互作用，比層內(nèi)相互作用要高一個數(shù)量級；銅氧化物則相反，層內(nèi)超交換作用占主導(dǎo)，因而超導(dǎo)為層內(nèi)配對。如果取層間超交換作用近似為150meV，理論預(yù)言雙層鎳氧化物的最大超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為70-90K，三層約為30-50K，和實(shí)驗結(jié)果吻合。而對于更多層結(jié)構(gòu)，理論分析發(fā)現(xiàn)，層間配對超導(dǎo)會分解為多個雙層超導(dǎo)單元，總層數(shù)為奇數(shù)時會出現(xiàn)一個額外的三層超導(dǎo)單元，理想情況下通過調(diào)節(jié)鎳離子的價態(tài)有可能實(shí)現(xiàn)接近雙層體系的較高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。
多層鎳氧化物超導(dǎo)這種新穎的層間配對機(jī)制，為未來材料設(shè)計和實(shí)驗發(fā)現(xiàn)更多類型的高溫超導(dǎo)體系提供了新思路。特別地，將庫珀對形成與庫珀對相位相干兩個超導(dǎo)核心要素分離，由兩種不同軌道分別承擔(dān)，克服了單一軌道需同時優(yōu)化兩類矛盾屬性的難題，可能是一種比較普適地探索高溫甚至室溫超導(dǎo)的有效途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表于The Innovation Materials 2, 100102 (2024)和Phys. Rev. B 110, 104507 (2024)。該工作受到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委和科技部項目的支持。
圖：三層鎳氧化物超導(dǎo)層間配對示意圖。
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