删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
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
本站小编 Free考研考试/2021-02-15
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-xSrxNiO3 (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-xSrxNiO2 (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
相关话题/电子 实验
南京大学ATLAS实验团队寻找超出标准模型高质量希格斯粒子获得重要进展
近日,南京大学ATLAS实验团队为主开展的寻找超出标准模型高质量希格斯粒子的最新实验结果作为编辑推荐发表在了《物理学评论快报》上【Phys.Rev.Lett.125,051801】(预印文本号:arXiv:2002.12223)。2012年,欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC发现了粒子标 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15电子学院王肖沐/施毅团队在新型谷电子器件方面取得最新成果
现代半导体器件主要依赖电荷实现对信息的表达、存储、传输和处理。在此基础上,以晶体管作为基本单元,通过控制电荷流,完成信息的处理与计算等功能。然而随着摩尔定律接近其极限,传统的晶体管器件已进入其发展瓶颈。如何利用新原理、新结构和新材料来解决和优化传统半导体器件中的尺寸微缩和能耗等问题是"后摩尔"时代半 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15《Science》报道南京大学固体微结构国家重点实验室最新成果
南京大学固体微结构物理国家重点实验室王漱明、张利剑、王振林、祝世宁等与合作者在高维量子纠缠光源研究中又取得了重大突破,6月26日,研究成果以"Metalens-array-basedhigh-dimensionalandmulti-photonquantumsource"为题发表在最新一期国际顶级期 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15现代工学院王鹏教授课题组在生物病毒冷冻电子衍射叠层(Cryo-Ptychography)计算机重构成像技术上取得重要进展
近日,现代工学院王鹏教授课题组联合中国疾病预防控制中心宋敬东研究员以及英国牛津大学材料系AngusKirkland教授课题组,率先实现低电子剂量条件下生物样品的高衬度冷冻电子叠层衍射计算机重构成像(Cryo-Ptychography)技术。该研究成果以"Low-DosePhaseRetrievalo ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15计算传播学实验中心关于具有社团划分功能的网络模型研究取得重要成果,被美国物理学联合会《科学之光》(AIP Scilight)专访报道
近日,美国物理联合会《科学之光》(AIPScilight)以"AnevolvingfitnessnetworkmodelshowspromiseformappingCOVID-19"为题对计算传播学实验中心尚可可等人关于社交网络和新冠肺炎基因演化网络的模型研究进行了专题报道。图一.AIPScilig ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15《Nano Letters》报道我校超导电子学研究所赵清源、康琳教授有关超导纳米线数字电路的研究进展
为了追求极限性能,越来越多的电子系统需要在低温条件下工作。例如,在量子计算机、高性能传感器、深空观测以及一些经典信息处理系统中,通常使用工作温度为2K甚至是mk温区的低温器件,从而在噪声、速度和灵敏度等方面实现接近量子极限的性能。对于这一类低温系统,信号读取与处理通常采用两种方式:第一种是采用超导数 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15电子学院/现代工学院宋虎成副研究员和周豪慎、徐骏教授团队合作开发出首款在超低温下工作的高比能全固态锂离子电池
作为新能源汽车生命线的动力电池由于短路造成的起火、燃烧等安全问题一直是横跨在新能源汽车发展道路上的“绊脚石”。全固态锂离子电池的出现为发展安全、超高比能的动力电池带来了新的曙光。相比于传统基于液态电解质的锂离子电池,全固态锂离子电池主要有以下优势:1)超高能量密度:基于金属锂负极的全固态锂离子电池能 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15现代工学院张利剑教授课题组实验实现量子探测器自表征
近日,现代工学院张利剑教授课题组与英国牛津大学VlatkoVedral教授、美国爱荷华州立大学潘耀东教授等合作,实现了基于探测器响应区间的量子测量自表征,相关成果“ExperimentalSelf-characterizationofQuantumMeasurements”发表于《物理评论快报》(P ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15电子科学与工程学院徐骏、宋虎成团队通过三维分级的热捕获结构实现增强太阳能光-热(蒸汽)转化效率
太阳能光-热转化是利用太阳能最简单、最直接有效的途径之一。除了常见的太阳能热水器之外,太阳能光-热转化还可以用于采暖制冷,海水淡化以及光-热发电等。光-热发电和海水淡化主要是利用太阳能集热器将所吸收的热能转化为蒸汽(光-热转化)。理想的太阳能蒸汽产生系统必须具有高效的光吸收能力、强有力的水抽取能力及 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15南京大学电子学院平面纳米线生长、集成和器件应用《先进材料》综述及科研进展
准一维(Quasione-dimensional,1D)半导体纳米线(SemiconductorNanowires)是开发新一代高性能电子器件最理想、最方便的构建单元,也是构建超高效光电探测调控和新颖微纳机电器件的关键基础。相比于传统“自上而下”的刻蚀制备工艺,自组装生长半导体纳米线结构在尺寸调控、 ...南京大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-02-15