中国科学家首次在镍基超导薄膜中发现无节点超导能隙
中国科学家发现镍基高温超导关键实验证据，成果登上《科学》
镍基超导机制获实验突破
中国科学技术大学与南方科技大学团队在RP相双层镍氧化物高温超导薄膜中，首次直接观测到无节点超导能隙，排除了d波对称性，与s波（s±）超导能隙吻合。
研究还发现费米能级以下约70 meV处的能带扭折，证实电子-玻色子耦合存在。成果于北京时间5月22日在线发表于《科学》杂志，由薛其坤、何俊峰、陈卓昱担任通信作者。
该发现为理解镍基高温超导配对机制提供了关键实验证据。
中国科学家发现镍基高温超导关键实验证据，成果登上《科学》
IT之家 5 月 22 日消息，高温超导机理是凝聚态物理领域的“世纪难题”。中国科学技术大学与南方科技大学研究团队近日在这一领域取得关键突破，首次在 Ruddlesden-Popper 相（RP 相）双层镍氧化物高温超导薄膜中直接观测到无节点超导能隙，并发现了电子-玻色子耦合现象。 相关成果于北京时间 5 月 22 日凌晨在线发表于国际顶级学术期刊《科学》上，论文由南方科技大学薛其坤院士与中国科学技术大学何俊峰教授、南方科技大学陈卓昱副教授共同担任通信作者。 ▲ 无节点超导能隙示意图 自 1911 年超导现象被发现以来，探索高温超导材料、理解其形成机理一直是国际科学界追逐的核心命题。传统超导体超导转变温度极低，应用严重受限。过去一个世纪，科学家相继发现了铜基和铁基高温超导材料，但其内在机理历经数十年探索仍未破解。近期，镍基高温超导材料的出现为理解这一难题带来了全新契机，率先获得镍基高温超导机制的关键实验证据也成为全球科学家竞逐的最前沿。 超导体中，电子两两配对、结伴而行，这是超导现象的根本。然而，电子为何愿意配对、以何种姿态配对，至今仍是物理学最大的谜团之一。 中国科学技术大学何俊峰教授研究组与南方科技大学薛其坤院士、陈卓昱副教授研究组合作，将目光聚焦于两个核心问题。 第一个核心问题是超导能隙对称性。电子配对节省的能量即为超导能隙，其对称性如同电子配对的“舞姿”。传统超导体中能隙处处不为零，对应 s 波对称性，犹如“圆舞曲”；铜基高温超导体则在某些特定方向上能隙为零，出现所谓“节点”，对应 d 波对称性，犹如“探戈”。能隙有无节点，正是判别高温超导物理起源的关键指标。研究团队利用高分辨率激光角分辨光电子能谱对 RP 相双层镍氧化物薄膜展开电子结构测量，发现在材料整个动量空间（布里渊区）中不存在能隙节点，与 d 波节点能隙截然不同，而与 s 波（s±）超导能隙对称性更相吻合。这是首次在 RP 双层镍基高温超导薄膜中给出明确答案：其超导能隙没有节点，镍基与铜基的配对机制并非完全一脉相承。 第二个核心问题是电子如何配对。电子本身带负电、彼此相斥，理论上有两类机制：一类无需媒介，电子在特殊环境中自行配对；另一类则需要某种玻色子充当“中间人”传递吸引力，通过电子-玻色子耦合实现配对。研究团队在电子能带色散中发现了费米能级以下约 70 meV 处的“能带扭折”—— 原本平滑的电子能量曲线在此出现明显拐点，这正是电子与某种玻色子发生耦合相互作用留下的“指纹”信号。定量分析确认了电子-玻色子耦合的存在。值得注意的是，类似的电子-玻色子耦合在铜基高温超导中也曾被发现，因此这一现象在镍基材料中的出现展现出重要的普适性，强烈提示镍基高温超导中的电子配对很可能同样由某种“中间人”促成。下一步，确认这位“中间人”究竟属于哪一种玻色子，或将成为最终阐明高温超导物理机制的关键所在。 ▲ 电子-玻色子耦合的发现 研究团队此次取得突破的另一个重要支撑在于技术创新。在前期研究中，南方科技大学薛其坤-陈卓昱团队已经发展出“强氧化原子逐层外延”技术，攻克了复杂氧化物原子级制备的难题，并在镍氧化物薄膜中实现了常压高温超导，为探测其电子结构提供了材料窗口。此次研究中，针对薄膜容易丢失氧进而失去超导的技术“卡点”，中国科大团队牵头与南方科大团队联合自主研发了基于液氮的超高真空低温淬火与样品传输新技术，成功实现样品从深圳到合肥的“超高真空全冷链”传输。最终，运用中国科大团队研制的高分辨率激光角分辨光电子能谱，结合上海同步辐射光源，完成了对高温超导薄膜样品的关键电子结构探测。这一系统性成果与此前在材料与技术上的系列突破互为支撑，从“首创新技术”“发现超导材料”“提升超导温度”到“解密物理机制”，展现了全方位、系统化的攻关格局。 该项研究为“超导能隙对称性”和“超导配对机制”这两个高温超导核心问题的理解提供了关键实验证据，对深入理解高温超导机理具有重要的科学意义。 此项成果也为推动超导技术更广泛的应用奠定了关键实验基础。有研究团队表示，他们已经通过这些“指纹”找到了媒介留下的痕迹，最终确认充当配对媒介的玻色子究竟是什么，将是下一步工作的重点。 IT之家附论文地址： https://doi.org/10.1126/science.adw8329
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