【儀表網 研發快訊】繼2019年無限層鎳氧化物超導發現之后，2023年中國科學家在雙層和三層鎳氧化物的高壓實驗中又先后發現了超導電性，最大轉變溫度分別達到80K和30K。而在銅氧化物中，超導轉變溫度的最高紀錄出現在三層結構。兩類超導相反的層數調控規律可能意味著截然不同的配對機理。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX9組的楊義峰研究員曾與合作者一起，提出了無限層鎳氧化物超導體的Mott-Kondo理論【PRB 101, 020501(R) (2020)；PRB 102, 220501(R) (2020)】和新的電荷序機理【Nat. Commun. 14, 5477 (2023)】并進行了實驗驗證【Natl. Sci. Rev. 10, nwad112 (2023)；Nat. Commun. 14, 7155 (2023)】，后來又提出了雙層鎳氧化物高溫超導的最小t-V-J模型和兩分量層間配對理論【Phys. Rev. B 108, L140504 (2023)；Phys. Rev. B 108, L201108 (2023)；Phys. Rev. B 109, L081105 (2024)】。
最近，楊義峰研究員指導博士生秦瓊(已畢業)，與杭州師范大學王江帆教授合作，將上述理論推廣到三層鎳氧化物，解釋了最大超導轉變溫度的反常抑制。兩分量超導的微觀圖像為，鎳離子上接近半滿的3dz2電子提供了鄰近兩層間形成庫珀對所需的作用力，遠離半滿的巡游3dx2-y2電子與其雜化，推動庫珀對沿層內方向流動并發生相位相干，凝聚為宏觀超導態。在三層結構中，這種不同尋常的層間配對機制會導致奇異的阻挫超導現象：倆外層上的電子同時欲與內層電子配對，彼此競爭而相互抑制，導致Tc的極大削減。數值模擬顯示，三層結構中超導轉變溫度與層間超交換相互作用的最大比值約為0.02-0.03，比雙層的0.04-0.05要低一半左右。這一圖像已得到初步的實驗支持。實驗發現，鎳的3d電子具有很大的層間反鐵磁超交換相互作用，比層內相互作用要高一個數量級；銅氧化物則相反，層內超交換作用占主導，因而超導為層內配對。如果取層間超交換作用近似為150meV，理論預言雙層鎳氧化物的最大超導轉變溫度約為70-90K，三層約為30-50K，和實驗結果吻合。而對于更多層結構，理論分析發現，層間配對超導會分解為多個雙層超導單元，總層數為奇數時會出現一個額外的三層超導單元，理想情況下通過調節鎳離子的價態有可能實現接近雙層體系的較高超導轉變溫度。
多層鎳氧化物超導這種新穎的層間配對機制，為未來材料設計和實驗發現更多類型的高溫超導體系提供了新思路。特別地，將庫珀對形成與庫珀對相位相干兩個超導核心要素分離，由兩種不同軌道分別承擔，克服了單一軌道需同時優化兩類矛盾屬性的難題，可能是一種比較普適地探索高溫甚至室溫超導的有效途徑。相關研究成果發表于The Innovation Materials 2, 100102 (2024)和Phys. Rev. B 110, 104507 (2024)。該工作受到了中國科學院、國家自然科學基金委和科技部項目的支持。
圖：三層鎳氧化物超導層間配對示意圖。
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