你還記得去年2019年8月我們“博科園”報(bào)道與解析的：第一種顯示出明顯超導(dǎo)跡象的氧化鎳材料被發(fā)現(xiàn)嗎？這引發(fā)了世界各地科學(xué)家尋找更多信息的競(jìng)賽，這種材料的晶體結(jié)構(gòu)類似于銅氧化物，

即銅酸鹽，它保持著在相對(duì)較高的溫度和常壓下無損耗導(dǎo)電的世界紀(jì)錄，但是它的電子有沒有同樣的行為呢？這些答案可能有助于推進(jìn)新的非傳統(tǒng)超導(dǎo)體合成。

并將其用于輸電、運(yùn)輸和其他應(yīng)用，還可以揭示銅酸鹽是如何的機(jī)制。但經(jīng)過30多年的研究，這仍然是一個(gè)謎！現(xiàn)在發(fā)表在《自然材料》期刊上的一篇新論文中，由美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組，首次詳細(xì)研究了超導(dǎo)氧化鎳（或稱鎳酸鹽）的電子結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們使用了兩種技術(shù)，共振非彈性X射線散射(RIXS)和X射線吸收光譜(XAS)。

獲得了鎳酸鹽電子結(jié)構(gòu)的第一張完整圖片，基本上是它們的電子排列和行為，決定了材料的性質(zhì)。銅酸鹽和鎳酸鹽都是薄薄的二維薄片，上面覆蓋著其他元素，如稀土離子。當(dāng)這些薄片冷卻到一定的溫度以下時(shí)，它們就會(huì)變成超導(dǎo)，它們自由流動(dòng)的電子密度會(huì)在一個(gè)被稱為“摻雜”的過程中進(jìn)行調(diào)整。銅酸鹽是處于預(yù)摻雜“基態(tài)”的絕緣體，這意味著它們的電子不能移動(dòng)。

在摻雜之后，電子可以自由移動(dòng)，但它們大多被限制在銅酸鹽層，很少通過中間的稀土層到達(dá)它們的銅酸鹽鄰居。但研究小組發(fā)現(xiàn)，在鎳酸鹽中，情況并非如此。未摻雜化合物是一種電子自由流動(dòng)的金屬。此外，中間層實(shí)際上為鎳層貢獻(xiàn)了電子，創(chuàng)造了一種與在銅酸鹽中看到截然不同的三維金屬狀態(tài)。這是過渡金屬氧化物（如銅酸鹽和鎳酸鹽）的一種全新基態(tài)。

它為實(shí)驗(yàn)和理論研究超導(dǎo)電性是如何產(chǎn)生的，以及如何在這個(gè)系統(tǒng)中以及可能在其他化合物中優(yōu)化超導(dǎo)電性開辟了新方向！科學(xué)家們一直在尋找具有類似于銅酸鹽高溫超導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)鎳基材料。現(xiàn)在在摻雜的無限層鎳酸鹽NdNiO2中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，加強(qiáng)了這些探索的努力。研究用X射線能譜和密度泛函理論證明了LaNiO2和NdNiO2電子結(jié)構(gòu)雖然與銅酸鹽相似，但包含了顯著的區(qū)別。

與銅酸鹽不同的是，無限層鎳鹽中的稀土隔離層支持弱相互作用的三維5d金屬態(tài)，它與NiO2層中具有3d{x^2-y^2}對(duì)稱性的準(zhǔn)二維強(qiáng)關(guān)聯(lián)態(tài)對(duì)稱。因此，無限層鎳酸鹽可視為稀土金屬間化合物的同胞，后者以重費(fèi)米子行為著稱，其中NiO_2相關(guān)層的作用類似于稀土重費(fèi)米子化合物中的4f態(tài)。這種安德森點(diǎn)陣狀的“氧化物金屬間化合物”取代了莫特（Mott）絕緣態(tài)，成為摻雜后產(chǎn)生超導(dǎo)電性的參考態(tài)。

博科園｜研究/來自：美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-019-0585-z

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