中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
EX6 & L03組供稿
第65期
2022年08月18日
無限層鎳基超導薄膜的Tc在壓力下被提升至30 K以上

  在迄今發現的所有超導體中,銅氧化物高溫超導體保持常壓下超導臨界溫度(Tc)的最高紀錄,其非常規的超導微觀機理仍然是凝聚態物理領域最具挑戰性的科學問題之一。作為元素周期表中Cu的最近鄰元素Ni,早在上世紀90年代初就有理論指出,無限層結構的鎳氧化物因與銅氧化物高溫超導體具有相似的晶體結構和電子構型,被認為是潛在的高溫超導體系。然而,30多年來實驗方面的進展遲緩,人們在無限層鎳氧化物的多晶、單晶以及薄膜樣品中都沒有發現超導。直到2019年,美國斯坦福大學Harold Hwang研究小組采用軟化學局部規整還原反應(topotactic reduction),將外延生長的鈣鈦礦Nd1-xSrxNiO3薄膜前驅體還原為無限層結構的Nd1-xSrxNiO2薄膜,并在其中首次觀察到Tc = 9-15 K的超導電性,掀起了鎳基超導體研究的熱潮[Nature 572, 624 (2019)]。這是近年來超導研究領域的重要進展,立即吸引了大量后續的理論和實驗研究,最新進展可以參閱綜述文章[中國科學: 物理學力學天文學 51, 047405 (2021);The Innovation 3, 100202 (2022)]。然而,由于無限層鎳基超導薄膜的制備條件苛刻,在較長一段時間內國際上僅有少數幾個研究小組可以制備出具有超導轉變的薄膜樣品,這成為鎳基超導研究中面臨的主要困難之一。盡管后續研究中報道了其他堿土金屬摻雜的稀土鎳基超導體,如La1-x(Ca/Sr)xNiO2、Pr1-xSrxNiO2,但最高Tc均沒有超過15K,遠低于銅氧化物高溫超導體的Tc。如何進一步提高鎳基超導體的Tc以及其與銅氧化物高溫超導體的異同一直是領域內關心的問題。

  針對以上問題,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的多個研究團隊開展了鎳基超導體的實驗研究:光物理重點實驗室L03組金奎娟研究員團隊攻克多項樣品制備的技術難題,成功生長出高質量的無限層Pr0.82Sr0.18NiO2(PSNO)超導薄膜,其超導起始溫度(Tconset)可達17-20 K,如圖1所示,這為深入開展鎳基超導體的實驗研究奠定了基礎。此外,超導國家重點實驗室SC07組的朱志海特聘研究員、周興江研究員團隊成功制備出Nd0.8Sr0.2NiO2超導薄膜[Chin. Phys. Lett. 38, 077401 (2021)]。最近,極端條件物理重點實驗室EX6組的博士生王寧寧、陳科宇以及孫建平副研究員和程金光研究員,采用六面砧大腔體高壓低溫物性測量裝置,在12.1 GPa高靜水壓、1.5 K最低溫和8.5 T磁場的綜合極端環境下,對高質量的PSNO薄膜開展了詳細的高壓磁電輸運性質測量,發現其超導轉變溫度隨壓力增加而單調升高且沒有出現飽和跡象,12.1 GPa時Tconset升高至約31 K,這表明鎳基超導體的Tc可進一步提高。

  由于軟化學局部規整還原反應制備的無限層鎳基超導薄膜非常脆弱,必須在非常好的靜水壓環境下才能獲得其超導轉變的壓力效應。因此,能提供良好靜水壓環境的六面砧裝置對于獲得PSNO超導薄膜較大范圍內的壓力效應發揮了關鍵作用。圖2展示了采用兩種不同液體傳壓介質測試的兩個PSNO薄膜樣品的高壓電阻率數據。從圖中可以看出,超導轉變溫度隨壓力增加而單調升高,在12.1 GPa時其Tconset可以達到31 K。圖3顯示了根據多個樣品高壓下的測量結果而確定的溫度-壓力相圖,從圖中可以確定Tconset的壓力系數為dTconset/dP ≈ 1 K/GPa,并且在研究的壓力范圍內沒有飽和跡象,這意味Tc在更高壓力下可進一步升高。為了揭示PSNO薄膜超導電性正壓力效應的起源,他們還測試了不同壓力和磁場下的電阻率曲線,并通過金茲堡-朗道公式和Werthamer-Helfand-Hohenberg (WHH)公式分析了上臨界場隨壓力的變化關系,如圖4所示。結果顯示,高壓下電子有效質量m*單調減小,這意味著電子關聯隨加壓而減弱;而根據近期對無限層鎳基超導薄膜的理論研究結果,其Tc與電子關聯具有反相關性,這與本研究的實驗結果吻合。此外,他們還總結了已報道的無限層鎳基超導薄膜最佳摻雜所對應的Tcc軸長度的關系,如圖4(c)所示,可以看出Tc隨c軸減小而逐漸升高,這樣高壓下c軸的持續減小也可以解釋Tc隨壓力單調升高的規律。上述結果對進一步提高鎳基超導體的Tc以及構建理論模型和理解其超導機理提供了重要參考。

  相關結果近期發表在Nature Communications 13, 4367 (2022)。博士生王寧寧、楊明衛和楊鎮為論文共同第一作者,孫建平、金奎娟和程金光為論文共同通訊作者。參與本工作的還包括超導國家重點實驗室董曉莉研究員、張華副研究員、朱志海特聘研究員,先進材料與結構分析實驗室的谷林研究員、張慶華副研究員,以及日本東京大學的Yoshiya Uwatoko教授。本工作得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、北京自然基金委、中科院B類先導專項等項目的支持。

[1] N. N. Wang, M. W. Yang, Z. Yang, K. Y. Chen, H. Zhang, Q. H. Zhang, Z. H. Zhu, Y. Uwatoko, L. Gu, X. L. Dong, J. P. Sun, K. J. Jin and J.-G. Cheng; “Pressure-induced monotonic enhancement of Tc to over 30K in superconducting Pr0.82Sr0.18NiO2 thin films”; Nature Commun. 13, 4367 (2022).

鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-32065-x


圖1. 無限層Pr0.82Sr0.18NiO2薄膜超導體XRD、TEM以及電阻率數據。


圖2. 無限層Pr0.82Sr0.18NiO2超導薄膜高壓下的電阻率。


圖3. 無限層Pr0.82Sr0.18NiO2超導薄膜的溫度-壓力相圖。


圖4. 無限層Pr0.82Sr0.18NiO2超導薄膜的上臨界場以及不同鎳基超導薄膜c軸間距與超導Tc的關系。