近日，理学院物理系上海市高温超导重点实验室尹鑫茂教授与新加坡国立大学合作在新一代镍基量子超导效应研究方面取得重要进展。成果以“Observation of perfect diamagnetism and interfacial effect on the electronic structures in infinite layer Nd_0.8Sr_0.2NiO₂superconductors”论文发表在近日出版的《Nature Communications》上。尹鑫茂教授为论文的第一作者（共同），这是他们在首次明确无限层镍基超导材料（NdSr）NiO₂宏观量子效应及超导相图之后的又一重要研究成果。



图1.无限层镍基超导Nd_1-xSr_xNi0₂量子电子态相图[Physical Review Letters 125, 147003 (2020)]。


高温超导机理问题是量子宏观效应及凝聚态物理研究的核心问题，被Science杂志将其列为人类最前沿科学问题之一。铜基和铁基超导体是高温超导两大家族，人们一直希望再找出基于其他过渡金属元素宏观量子效应的高温超导体。2020年，尹鑫茂教授和新加坡国立大学Ariando副教授、曾绳卫博士合作，首次构建了完整的无限层镍氧化物超导相图（见示意图1），该结果发表在Physical Review Letters 125, 147003 (2020)。铜基超导的母体化合物具有强关联性，是莫特绝缘体，镍基超导的母体也是一种电子关联性较强的系统。镍基超导母体中Ni的电子轨道占据与铜氧化物一致，母体均具有3d⁹的外层电子轨道，通过掺杂空穴形成宏观量子效应-超导态。因此需要用实验来证实镍基超导的宏观量子效应和电子结构，然而，目前制备高质量的镍基超导薄膜仍然是巨大的挑战，这对后续的实验表征带来困难。并且完全抗磁性作为超导的另一个标志性特征也尚未在镍基超导薄膜中报道。另一方面，SrTiO₃衬底带来的界面与量子效应对超导性的影响机制仍然是个谜。
本次Nature Communications论文中，作者成功制备了不同厚度的高质量镍基超导薄膜，并利用光谱学研究了界面效应对镍基超导薄膜的电学、磁学以及光学性能的影响。首次在镍基超导薄膜中用实验证实了抗磁性，论证了镍氧化物薄膜的宏观量子行为-超导态。根据之前文献中的能带计算，Nd_1-xSr_xNiO₂存在一个较大的费米面，主要由Ni的3d_x²_-y²轨道贡献，d波超导能隙被认为主要分布于此。而本论文中的光谱测量揭示了Ni-O的杂化耦合效应在镍基超导薄膜中对量子超导态的重要性（见示意图2），这将给镍基超导中新的量子态物理模型的建立带来新的启示。



图2. X射线吸收光谱观察镍基薄膜中的量子超导特性 [Nat Commun 13, 743 (2022)]


尹鑫茂教授为上海大学理学院物理系上海市高温超导重点实验室新引进的高层次海外青年人才，2020年入选上海市海外高层次领军人才计划，2021年度获批了国家级青年人才计划。他长期着眼于高温超导等多种量子新材料的光谱学研究，尤其是利用光谱学开展的铜基、镍基高温超导的量子效应研究成果不断。2021年以来，已发表高水平论文近20篇。2021年以来以第一或通讯作者身份分别在Nature子刊Nature Communications，Science子刊Science Advances、美国物理联合会AIP旗下应用物理顶级期刊Applied Physics Reviews（影响因子19.16）和国际顶级期刊Chemical Society Reviews（影响因子高达54.56）发表高水平论文4篇。
近年来，其所在的上海市高温超导重点实验室在高温超导关键成材技术、超导量子磁通涡旋、超导量子约瑟夫森结型器件、非常规高温超导、强关联氧化物电子自旋和超导强电应用等方向上形成了很好的国际化研究氛围，实验室青年人才在量子功能材料与高温超导领域具有很好的国际影响力，近年来主办国内外学术会议或在重要学术会议上作大会报告20余次，主持或参与国家重点研发计划、中科院战略先导专项或上海市重大重点项目、国家标准等十多项。
相关链接：
Nature Communications 2022：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28390-w
PRL 2020：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.147003