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超导穹顶（Superconducting dome）”暗示薄膜镍酸盐中的高温超导
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超导穹顶（Superconducting dome）”暗示薄膜镍酸盐中的高温超导 **“超导穹顶（Superconducting dome）”暗示薄膜镍酸盐中的高温超导** 超导是一种量子态物质，其特征是在低于某一临界温度时电阻降为零，并且会排斥磁场。能够出现这种状态的材料被称为超导体。超导体在多种技术的发展中具有重要优势，包括医学成像设备、粒子加速器以及量子计算机等。 通常情况下，超导性只会在极低温度下出现。然而，近年来的研究表明，在某些材料中，超导现象可以在更高温度下产生。这类非常规超导材料被称为**高温（high-Tc）超导体**。 来自南京大学和固体微结构国家实验室的研究人员最近在一种**薄膜镍酸盐（nickelate）**材料中发现了高温超导的线索。镍酸盐是一种由镍和氧组成、呈薄层晶体结构排列的材料。他们的研究论文发表在《Physical Review Letters》上，通过在不同条件下研究材料物理状态的演化，绘制出该体系的相图，并在其中发现了所谓的**“超导穹顶”**结构，这通常与高温超导密切相关。 论文的通讯作者之一、南京大学的聂岳峰（Yuefeng Nie）对 Phys.org 表示：“我们的研究灵感来自镍酸盐领域最近的一系列突破性进展，尤其是 **La₃Ni₂O₇** 体材料以及应变薄膜中发现的高压超导。然而，在这些令人兴奋的进展中，仍然缺少一个关键拼图——相图。我们希望看看这个双层体系是否也存在‘超导穹顶’，这是非常规高温超导体的经典标志。” --- ## 合成与研究镍酸盐薄膜 许多以往研究已经绘制了**铜酸盐（cuprates）**——一种含铜和氧的层状陶瓷材料——的相图，并发现其中存在多种相互竞争的物质相态。聂岳峰及其同事希望弄清楚，镍酸盐中是否也存在类似的复杂相结构。 聂岳峰说：“合成镍酸盐薄膜非常具有挑战性，需要严格的原子级精度。我必须特别感谢我的学生——王茂森、郝博、孙文杰以及团队其他成员，他们为掌握这一复杂材料体系付出了巨大努力。” 研究人员在能够压缩其晶格结构的衬底上生长了 **La₃Ni₂O₇** 镍酸盐薄膜。他们使用的是一种在此前研究中不断完善的技术——**反应分子束外延（reactive molecular beam epitaxy, MBE）**。 聂岳峰解释道：“我接触 MBE 技术其实可以追溯到15年前在康奈尔大学做博士后的时期，当时和 Darrell Schlom 与 Kyle Shen 一起工作。你可以把 MBE 想象成在搭建‘原子乐高’，让我们能够一层一层地堆叠材料，创造全新的结构。为了绘制超导穹顶，我们使用了两种并行的‘调控旋钮’：锶（Sr）掺杂和原位真空退火以调控氧空位。这两种方法都可以有效调节载流子浓度，从而调控超导性，类似于铜酸盐体系中的做法。” 具体来说，研究人员逐步用 **Sr 原子替代部分 La 原子**，从而调节材料中的电荷载流子数量。 为了进一步控制材料的电子性质，他们还调节了薄膜中的**氧含量**。随后，研究团队在不同条件下进行了多种测量，并据此构建了 **La₃Ni₂O₇ 的相图**。 聂岳峰说：“由于在这种多能带体系中精确确定掺杂浓度比较困难，我们选择用**霍尔系数（Hall coefficient, RH）**作为关键指标来绘制完整的相图。” --- ## 为物理理论与实验提供新线索 有趣的是，研究人员在该镍酸盐体系的相图中确实观察到了**超导穹顶结构**。他们发现，当霍尔系数发生**符号变化**时，材料的超导性达到峰值，这意味着主导的电荷载流子从**空穴**转变为**电子**。 聂岳峰表示：“这让我们回到了最初的研究动机——与铜酸盐进行比较。这些特征与电子掺杂铜基超导体中的现象非常相似。这表明这里的超导性可能与**费米面重构**以及**电子对称性**密切相关，就像在铜酸盐中一样。” 这项研究以及研究人员绘制的相图，有望帮助改进关于镍酸盐的理论模型，更好地理解其背后的物理机制。未来，这些成果还可能推动设计出**在常压下、且在更高温度下表现出超导性的镍酸盐材料**。 聂岳峰最后说道：“现在我们已经绘制出了这个令人着迷的宏观相图，我们非常希望进一步深入研究其微观机制。下一步，我们将利用先进的 **ARPES（角分辨光电子能谱）** 技术，直接观察在载流子转变过程中电子结构和费米面的变化。坦率地说，我们才刚刚触及这个‘镍时代（Nickel Age）’的表面，弄清楚它们的超导机制将会是一项非常激动人心的挑战。” Publication details Maosen Wang et al, Superconducting dome in La3−𝑥Sr𝑥Ni2O7−𝛿 thin films. , Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/qrkk-l2ng. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2508.15284 |
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