18537125967
2024-07-19
研究背景
銅酸鹽作為第一代高溫超導(dǎo)材料，其特征是CuO2層與電荷儲存層交錯。盡管對這些材料進(jìn)行了廣泛的研究，但高溫超導(dǎo)的機(jī)制仍然未知。自大約40年前銅酸鹽被發(fā)現(xiàn)以來，追求不依賴于氧化銅的新型高溫超導(dǎo)體已成為科學(xué)界持續(xù)而激烈的探索焦點(diǎn)。這種探索不僅對理解超導(dǎo)機(jī)制具有重大意義，還可能帶來新的應(yīng)用前景。鎳，位于元素周期表上銅的左側(cè)，為設(shè)計和合成具有高溫超導(dǎo)性的新型材料提供了豐富的化學(xué)和物理可能性。然而，盡管付出了巨大的努力，在鎳酸鹽中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。
研究成果
近日，復(fù)旦大學(xué)趙俊教授&中國科學(xué)院物理研究所郭建剛研究員&上海物理科學(xué)高級研究所曾橋石研究員合作報道了，通過施加壓力，可以有效抑制三層鎳酸鹽La4Ni3O10-δ單晶中的自旋電荷序，導(dǎo)致在69.0GPa下出現(xiàn)最高臨界溫度(Tc)約為30K的超導(dǎo)性。直流磁化率測量證實(shí)，在Tc以下存在明顯的抗磁響應(yīng)，表明存在體積分?jǐn)?shù)超過80%的體超導(dǎo)。觀察到正常狀態(tài)下一種奇怪的金屬行為，即線性溫度相關(guān)電阻高達(dá)300 K。此外，觀察到的層相關(guān)超導(dǎo)性暗示了鎳酸鹽特有的層間耦合機(jī)制，與銅酸鹽不同。這項(xiàng)研究為超導(dǎo)的基本機(jī)制提供了至關(guān)重要的見解，同時為探索自旋電荷序、平帶結(jié)構(gòu)、層間耦合、奇怪的金屬行為和高溫超導(dǎo)之間的復(fù)雜相互作用提供了一個全新的材料平臺。相關(guān)研究工作以“Superconductivity in pressurized trilayer La4Ni3O10-δ single crystals”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature》上。
研究內(nèi)容
圖1. La4Ni3O10-δ的壓力相關(guān)晶格結(jié)構(gòu)和相圖
圖2. La4Ni3O10-δ單晶在常壓下的磁化率、電阻率和比熱
圖3. La4Ni3O10-δ單晶在不同壓力下的溫度相關(guān)電阻和直流磁化率
圖4. La4Ni3O10-δ超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的磁場效應(yīng)
結(jié)論與展望
這項(xiàng)研究提供了三層鎳酸鹽La4Ni3O10-δ單晶在壓力下具有體超導(dǎo)性的證據(jù)。實(shí)驗(yàn)還顯示了正常狀態(tài)下奇怪的金屬行為，電阻在高達(dá)300K時的線性溫度相關(guān)性，這可能與費(fèi)米能級附近的平坦dz2帶引起的平面引起的增強(qiáng)自旋波動和強(qiáng)相關(guān)性有關(guān)。此外，鎳酸鹽中的層相關(guān)Tc與銅酸鹽中Tc不同，表明鎳酸鹽具有獨(dú)特的層間耦合和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。為了深入理解這些現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研究層間耦合在配對中的確切作用，特別是考慮到內(nèi)層和外層NiO2層之間載流子濃度和磁性的差異，以及雙層系統(tǒng)中不存在的兩層外層NiO2之間的層間耦合。同時，dx2-y2軌道和配對對稱性的全面研究對于完全理解這些相互作用至關(guān)重要?？傊?，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)建立了一個有前景的新材料平臺，還為探索自旋電荷序、平帶結(jié)構(gòu)、層間耦合、奇怪的金屬行為和高溫超導(dǎo)之間的復(fù)雜相互作用提供了新的視角。這一研究途徑在揭示新現(xiàn)象和推進(jìn)對高溫超導(dǎo)體的理解方面具有巨大的潛力。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07553-3
