The Innovation Materials | 镍氧化物高温超导机理及其最大超导转变温度的层数调控

TheInnovation创新

2024-12-05 00:00发布于浙江

三层铜氧化物具有常压下超导转变温度的最高纪录，层数是关键调控因素。而镍氧化物的最大超导转变温度却从两层结构的80 K反常下降至三层的30 K。这两类体系随层数演变的相反趋势要求从高温超导机理上给出全新解释。

导读

寻找决定超导转变温度的核心因素，是实现室温超导的关键。镍氧化物与铜氧化物均为突破液氮温区的超导体系，但一些行为却截然相反。理解两者高温超导机理的异同及其新奇效应，会推动更多新型高温超导体系的探索设计。

图一图文摘要

实现室温超导是21世纪物理学的最大梦想之一。找出决定超导转变温度的核心因素，是探索发现高温甚至室温超导的关键。2023年以来，中国科学家在双层和三层镍氧化物的高压实验中发现了超导电性，其最大超导转变温度T_c分别为80 K和30 K，是继1986年发现的铜氧化物高温超导之后第二类超导转变温度突破液氮沸点（约77 K，即零下196摄氏度）的非常规超导体系，理解其高温超导机理具有重要的科学意义。

超导是由金属中电子两两配对（库珀对）并发生相干凝聚而形成的宏观量子态。目前，常压下超导转变温度T_c的最高纪录出现在三层铜氧化物体系中，产生超导的基本结构单元为三层连续堆叠的铜氧面，其中层数被认为是提高T_c的关键因素。但在镍氧化物中，T_c却从双层体系的80 K下降到三层的30 K左右，与铜氧化物截然相反，背后可能隐藏着全新的超导配对机制。

这篇文章提出，这种差异源于双层和三层镍氧化物独特的层间配对机制，不同于铜氧化物的层内配对机制。这一观点已得到实验的初步证实，其中共振非弹性X射线散射（RIXS）和非弹性中子散射（INS）测量发现，镍的3d电子具有很大的层间反铁磁超交换相互作用，比层内相互作用要高一个数量级，这种极强的层间相互作用是导致相邻两层镍的3d电子发生超导配对的根源。铜氧化物则恰好相反，层内超交换相互作用占主导，因而超导为层内配对。

这种不同寻常的层间配对在三层镍氧化物中会导致奇异的阻挫超导现象：两个外层的电子同时欲与内层电子配对，相互竞争引起强烈的超导量子涨落，因而彼此抑制，导致T_c的极大削减。理论分析发现，两外层与内层的配对可以组合成类似粒子物理中Higgs场的具有两个复标量场分量的超导序参量，有可能会产生丰富的新奇物理效应。这种现象是层间配对超导的独特性质，在层内配对超导中并不存在，反映了镍氧化物和铜氧化物两类高温超导体系在超导机制上的本征差异。

具体的微观图像为，镍离子上较为局域的3d_z₂电子提供了邻近两层间形成库珀对所需的相互作用力，较为巡游的3d_x2_-_y₂电子与其杂化，推动库珀对沿层内方向流动并发生长程相位相干，最终凝聚形成宏观的超导量子态。数值模拟显示，由于阻挫效应，三层结构中超导转变温度与层间超交换相互作用的最大比值约为0.02-0.03，比双层结构的比值0.04-0.05要降低一半左右。如果参考RIXS的常压测量结果，近似取层间超交换作用为150 meV，则理论预言双层体系的最大T_c约为70-90 K，三层约为30-50 K，与实验上双层体系80 K左右和三层体系30 K左右的最大T_c符合，很好地支持了前述层间配对图像。

总结与展望

镍氧化物中独特的层间配对机制和阻挫效应，是决定其超导转变温度层数调控的关键因素。这种不同于铜氧化物的新型高温超导机理及其带来的新奇效应，开辟了新的研究方向，也为未来材料设计和实验发现更多类型的高温超导体系提供了全新思路。特别地，将库珀对形成与库珀对相位相干两种超导核心要素分离，由两个不同轨道分别承担，克服了单一轨道需同时优化两种矛盾属性的难题，可能是一种比较普适地探索高温甚至室温超导的有效途径。

责任编辑

彭文博西安交通大学

董方亮麻省理工学院

本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Materials 第2卷第4期发表的 REPORT 文章“Frustrated superconductivity and intrinsic reduction of T_c in trilayer nickelate” (投稿: 2024-07-07；接收: 2024-10-29；在线刊出: 2024-11-07)。

DOI：10.59717/j.xinn-mater.2024.100102

引用格式：Qin Q., Wang J. and Yang Y. (2024). Frustrated superconductivity and intrinsic reduction of T_c in trilayer nickelate. The Innovation Materials 2: 100102.

作者简介

杨义峰 中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授。主要研究方向为强关联和超导理论，主要学术成果有：发展了重费米子理论，构建了无限层和多层镍氧化物超导理论，发现了铜氧化物横向输运中的普适标度律，提出了处理多杂质问题的辅助库数值重正化群方法等；所讲授国科大《热学》公共课入选北京高校“优质本科课程”。详见网页：http://hf.iphy.ac.cn

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