南京大学闻海虎团队和聂越峰团队合作在镍基新超导体机理研究中取得重要进展

铜氧化物超导体自从1986年被发现以来,其超导机理一直被本领域科学家高度关注。具有库仑排斥的两个电子,为什么在高达160多开尔文(约等于零下113度)下仍然能够相互吸引形成电子配对,并凝聚成为宏观的量子相干态,这是横亘在凝聚态物理领域的一个重大科学问题。2008年至今,铁基超导体家族的发现和壮大也为超导机理的研究注入了新的活力。随着研究的深入,从仅有的两大非常规超导家族出发,实际上人们很难直接得到普遍的规律和共识。如果出现一个除铜基,铁基之外的第三家族的超导体,这一情况可能得到很大的改善。2019年,美国斯坦福大学小组在介于铁、铜之间的镍元素所形成的氧化物Nd1-xSrxNiO2薄膜中发现了9-15 K左右的超导电性,它似乎具有与铜氧化物超导体类似的3d9最外层电子轨道,这为非常规超导机理的研究提供了一个崭新的平台。科学界非常关心它的超导形成与铜氧化物超导体有何异同,因此在学界迅速掀起了对镍基超导体研究的热潮。

超导体内部的单粒子激发需要一定的能量即为超导能隙,这也是超导态为什么能够在一定温度下稳定存在的原因。而两个电子形成配对的内在因素直接决定着超导能隙函数的表现形式。因此探测非常规超导体的机理问题的首要任务是知道超导能隙的函数形式。就镍基超导体实验而言,得到Nd1-xSrxNiO2超导薄膜样品似乎比较困难,因此国际上关于Nd1-xSrxNiO2薄膜的相关实验还不是很多,许多实验并不能直接反映超导的能隙函数。最近南京大学闻海虎团队和聂越峰、潘晓晴团队通力合作,成功在Nd1-xSrxNiO2超导薄膜样品中测量到高质量的扫描隧道谱,证明了Nd1-xSrxNiO2中存在两类超导能隙,一类是V型隧道谱即典型的d波超导能隙,能隙最大值为3.9meV,这一点与铜氧化物超导体及其类似;而另一类是完全能隙形式(full gap)的隧道谱,能隙值为2.35meV,这一点又与铜氧化物不一致,而与铁基超导体相似。聂越峰实验组利用分子束外延(MBE)技术制备出高质量的Nd1-xSrxNiO(113)薄膜及具有初步超导转变的Nd1-xSrxNiO2(112)薄膜,闻海虎小组进行了后续的氢化处理,进一步优化了Nd1-xSrxNiO(112)镍基薄膜的超导转变温度及表面平整度,这是实验能够获得成功的关键因素之一。这一结果揭示了Nd1-xSrxNiO2超导体的能隙函数,发现与铜氧化物之间既有相似之点也有不同之处,并为接下来继续对镍基超导体开展深入研究奠定了坚实的实验基础,该工作于近日发表在【Nature Communications 11, 6027 (2020)】。

科学内容阐述

超导态都是电子形成库玻对然后凝聚的产物。超导机理的核心问题就是关于电子库玻对的成因。铜氧化物超导体的母体是莫特绝缘体,镍基超导体的母体NdNiO2也属于电子关联性较强的系统。NdNiO2中Ni的最外层电子轨道占据与铜氧化物一致,均为3d9,掺杂空穴后形成超导。众多的理论研究推测Nd1-xSrxNiO2主要的配对形式也许与铜氧化物类似,具有d波超导能隙。图1a显示的是Nd1-xSrxNiO2晶格结构,Nd/Sr面与NiO2面交替堆叠。图1(b)显示了Nd1-xSrxNiO2超导薄膜的电阻随温度变化曲线。我们研究的样品掺杂比例x在0.15左右。超导初始的转变点在15.3 K,零电阻的出现大概在9.1 K。图1(c)、(d)显示扫描隧道显微镜测量到的形貌,并用三维形式显示出来。(c)图是样品初始的形貌,表面的起伏较大,1~2nm左右。(d)图是样品经过真空长时间退火后的形貌,表面变得较为平整,甚至能获得原子分辨的图像。

  

图1. Nd1-xSrxNiO2超导体的(a)晶格结构,(b)电阻温度关系曲线,(c) 刚刚氢处理完和(d)经过长时间真空处理的薄膜的表面形貌。

接下来的工作就是在这两种表面上测量隧道谱,测量温度是在0.35 K。图2(a)显示的是实验测得的典型的V型隧道谱(空心圈)以及BCS理论d波能隙函数拟合结果(红色曲线),实验和理论非常好地吻合。该类谱在前述的两种形貌上均能测得。图2(b)显示的是在一条线上5个位置点测得的V型隧道谱。图2(c)显示的是实验测得的完全能隙的隧道谱(空心圈)以及BCS理论s波能隙函数拟合结果(红色曲线),实验和理论吻合较好。图2(d)显示的是在一条线上5个位置点测得的full gap隧道谱。该类谱主要在起伏较大的形貌上测得。

图2. 两类超导能隙对应的隧道谱,一类是V型谱,另一类是full gap谱。

            这些数据表明Nd1-xSrxNiO2中主要的配对形式是d波超导能隙。有一些理论研究预测,Nd1-xSrxNiO2是一个多带系统,除了这个主要的d波能隙,还有其他形式的能隙函数。根据能带计算,Nd1-xSrxNiO2存在一个较大的费米面,主要由Ni的3dx2-y2轨道贡献,从布里渊区M点为中心的空穴型口袋一直演变到Z点为中心的电子型口袋。d波超导能隙被认为主要分布于此。在点(0,0,0)和A点(π,π,π)存在两个较小的电子型费米口袋,由Nd的5d轨道和Ni的3d轨道杂化形成,轨道间相互作用导致电子配对类似于铁基超导体中的配对形式。具体的超导能隙分布如图3所示。但是对于这个较小的完全的能隙(full gap)的来源也有另外的理论解释。

  

图3. Nd1-xSrxNiO2费米面和超导能隙函数形式。(a),(b)分别是布里渊区kz=0和kz=π处费米面上对应的能隙大小。(b),(d)分别是布里渊区kz=0和kz=π处费米面上能隙函数相位分布示意图。红蓝颜色代表费米面上超导能隙相位的正负。

该成果的意义在于首次从实验上测量出了Nd1-xSrxNiO2超导薄膜的超导能隙的主要信息,反映强关联效应和可能的交换反铁磁涨落是超导配对的主因,期待后期能够动量分辨的谱学测量。这一创新性结果揭示了Nd1-xSrxNiO2与铜氧化物之间既有相似之点也有不同之处,并为接下来继续对Nd1-xSrxNiO2开展深入研究奠定了坚实的实验基础。

闻海虎教授团队长期坚持在高温超导机理方面开展研究。最近几年他们在高温超导机理研究方面取得多项成果【Nature Communications 7, 10565 (2016)Nature Physics 14, 134 (2018); Nature Communications 9, 970 (2018); Nature Communications 10, 1603 (2019)】。目前的工作是闻海虎教授团队与聂越峰教授团队合作完成的,薄膜样品由聂越峰教授团队提供。文章并列第一作者是顾强强,李月莹和万思源博士生,通讯作者是聂越峰和闻海虎教授。

此工作得到教育部985计划,国家重点专项“量子调控项目”,自然科学基金委和2011计划“人工微结构和量子调控项目”的支持,在此表示感谢。

相关文章链接: 

Qiangqiang Gu, Yueying Li, Siyuan Wan, Huazhou Li, Wei Guo, Huan Yang, Qing Li, Xiyu Zhu, Xiaoqing Pan, Yuefeng Nie & Hai-Hu Wen. Nature Communications 11, 6027 (2020).

Website: https://www.nature.com/articles/s41467-020-19908-1