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南京大學聞?；F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(nèi)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(nèi)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?；F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?；⑿〗M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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