【儀表網 研發快訊】在重費米子、銅氧化物、鐵基等非常規超導體中，電子通過相對運動克服庫侖排斥，誘導自身配對產生超導電性，是目前已知的實現常壓高溫超導的唯一途徑。因此，建立不同于常規電-聲耦合配對機制的非常規超導理論，是探索常壓下高溫甚至室溫超導的必然要求。
 

　　鎳氧化物超導是近幾年新發現的非常規超導體系，分子式為Rn+1NinO3n+1或Rn+1NinO2n+2，其中R代表稀土元素Nd、La、Pr等。2019年，美國科學家首先在無限層鎳氧化物Nd1-xSrxNiO2薄膜中發現超導電性；2023年，中國科學家又在雙層鎳氧化物La3Ni2O7塊材中通過施加高壓發現接近80 K的高溫超導電性。鎳氧化物超導的發現最初受到銅氧化物高溫超導的啟發，因此其超導是否與銅氧化物超導機理相似，引起了學術界的關注。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員楊義峰長期從事非常規超導機理研究，發展了重費米子超導理論計算框架，預言了CeCu2Si2超導的s±配對、UTe2超導的拓撲平庸的自旋三重態配對、YbRh2Si2超導在磁場下從d波自旋單態到px+ipy波自旋三重態的轉變，還擴展到其他關聯電子體系，給出了Sr2RuO4中dx2-y2+ig自旋單態超導的多極矩漲落配對機制，解釋了銅氧化物過摻雜區由超導相位漲落導致的奇異譜學特征。在鎳氧化物超導發現之后，楊義峰和清華大學教授張廣銘、中國科學院大學卡弗里理論科學研究所教授張富春合作，提出了無限層鎳氧化物超導的Mott-Kondo理論(2020年)和雙層鎳氧化物超導的兩分量理論(2023年)。
 

　　在無限層鎳氧化物RNiO2中，Ni一般認為是+1價，dx2-y2軌道接近半滿，類似于銅氧化物，因此有人認為兩者類似，均可用單帶Hubbard模型描述。楊義峰和合作者提出了無限層鎳氧化物的Mott-Kondo理論，指出該體系的母體實際上為自摻雜的Mott絕緣體。不同于銅氧化物，無限層鎳氧化物中在費米能附近存在導帶，Ni1+上有少量電子會轉移到導帶，并和dx2-y2軌道上的局域自旋發生反鐵磁耦合，產生Kondo物理，更類似低載流子密度Kondo晶格，繼而有可能導致不同于銅氧化物的s波或d+is波配對。這一理論比較自然地解釋了一些基本實驗觀測，產生了廣泛影響并受邀撰寫綜述，但也引起了一些爭議。有人認為相關實驗現象可以用無序效應解釋，不需訴諸于Kondo物理，因此要為Mott-Kondo理論的預言給出更加充分的實驗支持。近日，楊義峰和合作者開展了一系列的實驗和理論研究，部分解決了這些爭議：
 

　　研究人員系統測量并分析了Nd1-xSrNiO2在極低溫下的輸運行為，發現電阻從0.04 K到40 K跨越三個數量級的溫度范圍內，完美符合Kondo模型的理論預言，且在極低溫下呈現費米液體行為，排除了無序的影響。相關成果發表于《國家科學評論》。
 

　　合作團隊利用第一性原理結合動力學平均場方法仔細計算分析了NdNiO2的基態性質，發現在合理的參數區間，Ni-dx2-y2軌道上的電子會部分轉移到Nd的d軌道上，從而導致電荷序的能量低于反鐵磁序的能量，不但解釋了實驗發現的周期3a的電荷條紋序，也有助于理解該體系中反鐵磁相的缺失。這一機制依賴于費米能附近導帶的存在及其引發的自摻雜效應，和銅氧化物中電荷序的形成機制不同，是Mott-Kondo理論的獨特性質。相關成果發表于《自然-通訊》。
 

　　此外，研究人員系統測量了Nd0.8Sr0.2NiO2超導薄膜輸運性質的角度依賴，發現在極低溫和低磁場下超導態表現出很好的各向同性，在外加磁場下會出現四重旋轉對稱的d波分量，強磁場下又會出現二重旋轉對稱分量，可能來自電荷條紋序。這些結果符合Mott-Kondo理論的預期，不同于銅氧化物。相關成果發表于《自然-通訊》。
 

　　上述實驗和理論進展為無限層鎳氧化物的Mott-Kondo理論提供了新的證據，表明無限層鎳氧化物超導體是一類有自己獨特性質的非常規超導體系，具備重費米子和銅氧化物的雙重特征，為探索新物理提供了的新的材料基礎。
 

　　在雙層鎳氧化物高溫超導體La3Ni2O7中，Ni為+2.5價，其dz2軌道接近半滿，dx2-y2軌道接近1/4占據。楊義峰團隊進行了第一性原理結合動力學平均場理論的強關聯電子結構計算，發現dz2軌道局域性較強，具有Mott局域化和巡游準粒子帶共存的強關聯特征，而dx2-y2軌道則具有很好的巡游性，兩個軌道之間同時存在很強的Hund耦合和雜化效應，兩種因素的競爭會在費米能附近產生dz2準粒子平帶。在此基礎上，他和合作者構建了雙層鎳氧化物超導的最小模型，提出了其高壓下高溫超導的兩分量理論，認為體系的基本結構單元是雙層NiO2面，層間通過頂點氧耦合，從而導致了很強的層間反鐵磁超交換作用，誘導出dz2準粒子的層間自旋單態配對，這些較為局域的庫珀對本身不能超導，但可以通過和較為巡游的dx2-y2電子雜化在格點間發生位相相干，形成準二維的高溫超導電性。同時，該團隊進行了系統的數值模擬，給出的超導轉變溫度隨調控參數非單調演化和實驗一致，發現在合理參數區間，Tc和層間超交換作用呈近似線性關系；并指出該材料雙層結構的獨特調控性質，且dz2空穴對高溫超導的形成不可或缺，建議可通過空穴摻雜或施加單軸壓力進一步提高Tc；還預言雙層鎳氧化物高溫超導具有擴展的s波對稱性，在各個費米面上的符號依賴于其成鍵或反鍵性質。
 

　　兩分量理論代表了一種新的配對機制，揭示了雙層鎳氧化物高溫超導和銅氧化物高溫超導的本質區別，對探索超導新機理具有重要意義。相關研究成果以快報形式發表于《物理評論B》。
 

　　上述進展揭示了無限層和雙層鎳氧化物超導體系的獨特性質，不同于重費米子、銅氧化物、鐵基等先前已知的非常規超導家族，所提出的超導新機理可以為探索新型高溫超導材料提供參考。相關研究工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委和科學技術部項目的支持。
 

　　圖1 無限層鎳氧化物Nd1-xSrxNiO2低溫電阻和Kondo理論的比較，及實驗給出的Kondo物理和超導相圖。
 

　　圖2 無限層鎳氧化物NdNiO2理論計算給出的反鐵磁及不同周期電荷條紋序的能量比較，表明在合理參數區，體系基態為周期3a的電荷條紋序。
 

　　圖3 無限層鎳氧化物Nd0.8Sr0.2NiO2轉角測量給出的超導的磁場-溫度相圖，極低溫表現出各向同性，中間區出現四重旋轉對稱分量，強磁場下出現二重旋轉對稱分量。
 

　　圖4 雙層鎳氧化物高溫超導理論示意圖，其中dz2電子通過層間交換相互作用產生局域配對，通過和巡游dx2-y2電子雜化產生相干性，導致高溫超導。
 

　　圖5 雙層鎳氧化物La3Ni2O7中數值模擬給出的超導轉變溫度隨雜化強度(或壓力)的演化，和實驗結果一致。