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我校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和物理系陳仙輝研究團(tuán)隊(duì)的吳濤教授與南方科技大學(xué)梅佳偉、王善民等人合作在無限層鎳基超導(dǎo)體的磁性研究中取得重要進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)成功測量了無限層鎳基超導(dǎo)體母體材料LaNiO2的本征磁化率并觀察到類似于高溫超導(dǎo)體的“贗能隙”行為，為研究高溫超導(dǎo)體中的超導(dǎo)機(jī)理以及贗能隙的物理起源提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。相關(guān)研究成果于5月10日以“Intrinsic Spin Susceptibility and Pseudogap-like Behavior in Infinite-Layer LaNiO2”為題在線發(fā)表于物理學(xué)知名雜志《物理評論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett.126,197001 (2021)]。

銅氧化物中高溫超導(dǎo)電性的物理機(jī)制一直是凝聚態(tài)物理中的未解之謎。其中一種探索其機(jī)理的思路是希望能通過探索與銅氧化物高溫超導(dǎo)體具有類似結(jié)構(gòu)和電子組態(tài)的超導(dǎo)材料來檢驗(yàn)其超導(dǎo)機(jī)理，其中與無限層銅氧化物超導(dǎo)體CaCuO2類似的無限層鎳酸鹽材料ReNiO2 (Re = La, Nd,Pr)受到了大家長期以來的關(guān)注。2019年，美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家在鍶摻雜的NdNiO2薄膜成功觀察到15 K的超導(dǎo)電性，無限層鎳基超導(dǎo)體中的超導(dǎo)電性是否與銅氧化物中的高溫超導(dǎo)電性具有類似的超導(dǎo)機(jī)理是迫切需回答的問題。

在銅氧化合物超導(dǎo)體中，磁性交換作用被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)電性的一個(gè)關(guān)鍵要素，那么在無限層鎳基超導(dǎo)體中是否也具有強(qiáng)的磁性交換作用呢？目前，由于無限層鎳基超導(dǎo)體中的超導(dǎo)電性只在薄膜材料中被發(fā)現(xiàn)，這極大地限制了對其磁性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，因此領(lǐng)域內(nèi)對該材料的磁性還一直沒有十分清楚的實(shí)驗(yàn)測量并存在大量的爭論。為了回答這一問題，我校陳仙輝教授領(lǐng)銜的超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)梅佳偉和王善民課題組開展合作研究，在制備純度較高的無限層鎳基超導(dǎo)體母體LaNiO2多晶材料的基礎(chǔ)上，利用核磁共振方法對該材料進(jìn)行了低溫磁性研究。通過測量139La原子核的超精細(xì)相互作用以及自旋-晶格弛豫率，成功獲得了該體系本征的磁化性質(zhì)。首先，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該母體材料并不像銅氧化合物超導(dǎo)體的母體材料一樣具有長程的反鐵磁有序，而且一直到240mK的極低溫度，該材料也沒有出現(xiàn)磁性漲落的臨界行為，表明該體系的磁性基態(tài)遠(yuǎn)離了反鐵磁有序態(tài)。其次，雖然沒有發(fā)生反鐵磁有序，但是體系的高溫磁化行為也并非通常人們所熟知的順磁行為，而是表現(xiàn)出了一種類似于銅氧化合物高溫超導(dǎo)體中的“贗能隙”行為，即奈特位移（Ks）和自旋-晶格弛豫率(1/T1T)呈現(xiàn)出一種隨溫度降低而顯著下降的行為。在傳統(tǒng)的巡游磁性理論中，奈特位移和自旋-晶格弛豫率分別正比于費(fèi)米面態(tài)密度（N(EF)）的一次方和平方，因此它們隨溫度基本上沒有顯著的依賴關(guān)系；而在傳統(tǒng)的局域磁性理論中，順磁態(tài)一般滿足居里-外斯定律，即隨溫度降低而顯著升高。因此，“贗能隙”行為超出了傳統(tǒng)理論對順磁態(tài)行為的理解。在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中，核磁共振實(shí)驗(yàn)中的“贗能隙”行為被認(rèn)為與體系的磁性交換作用相關(guān)，當(dāng)磁性交換作用導(dǎo)致強(qiáng)的自旋關(guān)聯(lián)而又不形成長程有序時(shí)，就有可能出現(xiàn)“贗能隙”行為。類似的“贗能隙”行為也同樣在鐵基超導(dǎo)體的宏觀磁化以及核磁共振實(shí)驗(yàn)中被觀察到（X. F. Wang et al.,Phys. Rev. Lett. 102, 117005 (2009);Y. P. Wu et al., Phys. Rev. Lett.116, 147001 (2016); B. L. Kang et al., Phys. Rev. Lett. 125, 097003 (2020)）。因此，目前的實(shí)驗(yàn)表明：在無限層鎳基超導(dǎo)體中，強(qiáng)的磁性交換作用也同樣是一個(gè)關(guān)鍵的因素，這對于理解高溫超導(dǎo)體中的超導(dǎo)機(jī)理將起到重要的啟示作用。

圖：(a) LaNiO3和LaNiO2的晶體結(jié)構(gòu)。通過CaH2還原LaNiO3可以得到LaNiO2。（b）LaNiO2和LaNiO3中自旋-晶格弛豫率（1/T1）隨溫度的變化關(guān)系。（c）上半圖：LaNiO2的奈特位移（Ks）隨溫度變化的關(guān)系。下半圖：LaNiO2中1/T1T隨溫度變化的曲線。

合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的博士后趙丹為相關(guān)文章的第一作者，吳濤教授和梅佳偉教授為上述文章的共同通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院以及安徽省引導(dǎo)項(xiàng)目的相關(guān)基金資助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.197001

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、科研部）