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南京大學聞海虎團隊和聶越峰團隊合作在鎳基新超導體機理研究中取得重要進展

銅氧化物超導體自從1986年被發(fā)現(xiàn)以來，其超導機理一直被本領域科學家高度關注。具有庫侖排斥的兩個電子，為什么在高達160多開爾文（約等于零下113度）下仍然能夠相互吸引形成電子配對，并凝聚成為宏觀的量子相干態(tài)，這是橫亙在凝聚態(tài)物理領域的一個重大科學問題。2008年至今，鐵基超導體家族的發(fā)現(xiàn)和壯大也為超導機理的研究注入了新的活力。隨著研究的深入，從僅有的兩大非常規(guī)超導家族出發(fā)，實際上人們很難直接得到普遍的規(guī)律和共識。如果出現(xiàn)一個除銅基，鐵基之外的第三家族的超導體，這一情況可能得到很大的改善。2019年，美國斯坦福大學小組在介于鐵、銅之間的鎳元素所形成的氧化物Nd1-xSrxNiO2薄膜中發(fā)現(xiàn)了9-15 K左右的超導電性，它似乎具有與銅氧化物超導體類似的3d9最外層電子軌道，這為非常規(guī)超導機理的研究提供了一個嶄新的平臺。科學界非常關心它的超導形成與銅氧化物超導體有何異同，因此在學界迅速掀起了對鎳基超導體研究的熱潮。超導體內部的單粒子激發(fā)需要一定的能量即為超導能隙，這也是超導態(tài)為什么能夠在一定溫度下穩(wěn)定存在的原因。而兩個電子形成配對的內在因素直接決定著超導能隙函數(shù)的表現(xiàn)形式。因此探測非常規(guī)超導體的機理問題的首要任務是知道超導能隙的函數(shù)形式。就鎳基超導體實驗而言，得到Nd1-xSrxNiO2超導薄膜樣品似乎比較困難，因此國際上關于Nd1-xSrxNiO2薄膜的相關實驗還不是很多，許多實驗并不能直接反映超導的能隙函數(shù)。最近南京大學聞海虎團隊和聶越峰、潘曉晴團隊通力合作，成功在Nd1-xSrxNiO2超導薄膜樣品中測量到高質量的掃描隧道譜，證明了Nd1-xSrxNiO2中存在兩類超導能隙，一類是V型隧道譜即典型的d波超導能隙，能隙最大值為3.9meV，這一點與銅氧化物超導體及其類似；而另一類是完全能隙形式（full gap）的隧道譜，能隙值為2.35meV，這一點又與銅氧化物不一致，而與鐵基超導體相似。聶越峰實驗組利用分子束外延（MBE）技術制備出高質量的Nd1-xSrxNiO3 (113)薄膜及具有初步超導轉變的Nd1-xSrxNiO2 (112)薄膜，聞海虎小組進行了后續(xù)的氫化處理，進一步優(yōu)化了Nd1-xSrxNiO2 (112)鎳基薄膜的超導轉變溫度及表面平整度，這是實驗能夠獲得成功的關鍵因素之一。這一結果揭示了Nd1-xSrxNiO2超導體的能隙函數(shù)，發(fā)現(xiàn)與銅氧化物之間既有相似之點也有不同之處，并為接下來繼續(xù)對鎳基超導體開展深入研究奠定了堅實的實驗基礎。

南京大學 2021-02-01

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