高溫超導(dǎo)機(jī)理是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的難題。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和南方科技大學(xué)等在新型鎳基高溫超導(dǎo)機(jī)理研究中取得重要突破，首次在Ruddlesden-Popper相（RP相）雙層鎳氧化物高溫超導(dǎo)薄膜中，直接觀測(cè)到無(wú)節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙并發(fā)現(xiàn)電子-玻色子耦合，為解析超導(dǎo)能隙對(duì)稱性和超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制兩個(gè)鎳基高溫超導(dǎo)機(jī)制的核心問(wèn)題，提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

01

新型鎳基高溫超導(dǎo)

超導(dǎo)自1911年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，憑借極限電磁性能，成為國(guó)際科學(xué)界的重要研究方向。傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度低，限制了其應(yīng)用。因此，探索高溫超導(dǎo)材料、理解高溫超導(dǎo)機(jī)理成為國(guó)際超導(dǎo)研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)之后的一個(gè)世紀(jì)，學(xué)界發(fā)現(xiàn)銅基和鐵基兩類高溫超導(dǎo)材料，但其內(nèi)在機(jī)理始終未能厘清。而鎳基高溫超導(dǎo)的出現(xiàn)，為理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新機(jī)遇。

鎳氧化物薄膜中常壓高溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)，為探測(cè)鎳基高溫超導(dǎo)電子結(jié)構(gòu)提供了重要的材料平臺(tái)。

02

技術(shù)新突破

在前期工作的基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)優(yōu)化高溫超導(dǎo)薄膜生長(zhǎng)，獲得了高質(zhì)量鎳氧化物薄膜樣品。

針對(duì)薄膜容易丟失氧，進(jìn)而失去超導(dǎo)的技術(shù)難點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于液氮的超高真空低溫淬火與樣品傳輸新技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)樣品從深圳到合肥的超高真空全冷鏈傳輸。

團(tuán)隊(duì)運(yùn)用自主研制的高分辨率激光角分辨光電子能譜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫超導(dǎo)薄膜樣品的關(guān)鍵電子結(jié)構(gòu)探測(cè)，并結(jié)合上海同步輻射光源形成了完備測(cè)量。

03

發(fā)現(xiàn)無(wú)節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙

超導(dǎo)能隙對(duì)稱性是解析高溫超導(dǎo)機(jī)制的關(guān)鍵，超導(dǎo)能隙在動(dòng)量空間中是否有“節(jié)點(diǎn)”，是判定超導(dǎo)能隙對(duì)稱性的關(guān)鍵指標(biāo)。

團(tuán)隊(duì)針對(duì)RP相雙層鎳氧化物超導(dǎo)薄膜展開(kāi)電子結(jié)構(gòu)測(cè)量，利用高分辨率的激光角分辨光電子能譜觀測(cè)到超導(dǎo)準(zhǔn)粒子相干峰，揭示了超導(dǎo)能隙大小及其動(dòng)量依賴，發(fā)現(xiàn)在材料整個(gè)動(dòng)量空間中沒(méi)有能隙節(jié)點(diǎn)。

這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與d波節(jié)點(diǎn)能隙不同，與s波超導(dǎo)能隙對(duì)稱性更符合。

▲研究發(fā)現(xiàn)鎳基高溫超導(dǎo)機(jī)制關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)示意圖

04

電子-玻色子耦合的發(fā)現(xiàn)

高溫超導(dǎo)中，電子配對(duì)是形成超導(dǎo)的關(guān)鍵一步，因此理解電子配對(duì)是解析高溫超導(dǎo)機(jī)制的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，本應(yīng)相互排斥的兩個(gè)電子可能以某種玻色子為媒介，通過(guò)電子-玻色子耦合實(shí)現(xiàn)配對(duì)。

經(jīng)電子結(jié)構(gòu)測(cè)量，研究在RP相雙層鎳氧化物高溫超導(dǎo)薄膜中，觀測(cè)到無(wú)節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙，同時(shí)在電子能帶色散中發(fā)現(xiàn)了費(fèi)米能級(jí)以下約70 meV處的能帶扭折，這是電子-玻色子耦合的典型譜學(xué)特征。

定量分析進(jìn)一步確認(rèn)了電子-玻色子耦合的存在，類似的電子-玻色子耦合在銅基高溫超導(dǎo)中也存在。

這一現(xiàn)象在鎳基高溫超導(dǎo)中的發(fā)現(xiàn)印證了其普適性，為理解高溫超導(dǎo)電子配對(duì)機(jī)制提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

論文鏈接：

DOI：10.1126/science.adw8329

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：侯茜