無限層鎳基超導(dǎo)薄膜的Tc在壓力下被提升至30 K以上(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2022-08-26

在迄今發(fā)現(xiàn)的所有超導(dǎo)體中，銅氧化物高溫超導(dǎo)體保持常壓下超導(dǎo)臨界溫度(Tc)的最高紀錄，其非常規(guī)的超導(dǎo)微觀機理仍然是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)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(jié)構(gòu)的鎳氧化物因與銅氧化物高溫超導(dǎo)體具有相似的晶體結(jié)構(gòu)和電子構(gòu)型，被認為是潛在的高溫超導(dǎo)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(fā)現(xiàn)超導(dǎo)。直到2019年，美國斯坦福大學(xué)Harold Hwang研究小組采用軟化學(xué)局部規(guī)整還原反應(yīng)(topotactic reduction)，將外延生長的鈣鈦礦Nd1-xSrxNiO3薄膜前驅(qū)體還原為無限層結(jié)構(gòu)的Nd1-xSrxNiO2薄膜，并在其中首次觀察到Tc = 9-15 K的超導(dǎo)電性，掀起了鎳基超導(dǎo)體研究的熱潮[Nature 572, 624 (2019)]。這是近年來超導(dǎo)研究領(lǐng)域的重要進展，立即吸引了大量后續(xù)的理論和實驗研究，最新進展可以參閱綜述文章[中國科學(xué): 物理學(xué)力學(xué)天文學(xué) 51, 047405 (2021)；The Innovation 3, 100202 (2022)]。然而，由于無限層鎳基超導(dǎo)薄膜的制備條件苛刻，在較長一段時間內(nèi)國際上僅有少數(shù)幾個研究小組可以制備出具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的薄膜樣品，這成為鎳基超導(dǎo)研究中面臨的主要困難之一。盡管后續(xù)研究中報道了其他堿土金屬摻雜的稀土鎳基超導(dǎo)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(dǎo)體的Tc。如何進一步提高鎳基超導(dǎo)體的Tc以及其與銅氧化物高溫超導(dǎo)體的異同一直是領(lǐng)域內(nèi)關(guān)心的問題。

 

針對以上問題，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的多個研究團隊開展了鎳基超導(dǎo)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(shù)難題，成功生長出高質(zhì)量的無限層Pr0.82Sr0.18NiO2（PSNO）超導(dǎo)薄膜，其超導(dǎo)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(dǎo)體的實驗研究奠定了基礎(chǔ)。此外，超導(dǎo)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(dǎo)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(huán)境下，對高質(zhì)量的PSNO薄膜開展了詳細的高壓磁電輸運性質(zhì)測量，發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力增加而單調(diào)升高且沒有出現(xiàn)飽和跡象，12.1 GPa時Tconset升高至約31 K，這表明鎳基超導(dǎo)體的Tc可進一步提高。

 

由于軟化學(xué)局部規(guī)整還原反應(yīng)制備的無限層鎳基超導(dǎo)薄膜非常脆弱，必須在非常好的靜水壓環(huán)境下才能獲得其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的壓力效應(yīng)。因此，能提供良好靜水壓環(huán)境的六面砧裝置對于獲得PSNO超導(dǎo)薄膜較大范圍內(nèi)的壓力效應(yīng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。圖2展示了采用兩種不同液體傳壓介質(zhì)測試的兩個PSNO薄膜樣品的高壓電阻率數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力增加而單調(diào)升高，在12.1 GPa時其Tconset可以達到31 K。圖3顯示了根據(jù)多個樣品高壓下的測量結(jié)果而確定的溫度-壓力相圖，從圖中可以確定Tconset的壓力系數(shù)為dTconset/dP ≈ 1 K/GPa，并且在研究的壓力范圍內(nèi)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(dǎo)電性正壓力效應(yīng)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(guān)系，如圖4所示。結(jié)果顯示，高壓下電子有效質(zhì)量m*單調(diào)減小，這意味著電子關(guān)聯(lián)隨加壓而減弱；而根據(jù)近期對無限層鎳基超導(dǎo)薄膜的理論研究結(jié)果，其Tc與電子關(guān)聯(lián)具有反相關(guān)性，這與本研究的實驗結(jié)果吻合。此外，他們還總結(jié)了已報道的無限層鎳基超導(dǎo)薄膜最佳摻雜所對應(yīng)的Tc與c軸長度的關(guān)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(xù)減小也可以解釋Tc隨壓力單調(diào)升高的規(guī)律。上述結(jié)果對進一步提高鎳基超導(dǎo)體的Tc以及構(gòu)建理論模型和理解其超導(dǎo)機理提供了重要參考。

 

相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在Nature Communications 13, 4367 (2022)。博士生王寧寧、楊明衛(wèi)和楊鎮(zhèn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(xué)的Yoshiya Uwatoko教授。本工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、北京自然基金委、中科院B類先導(dǎo)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(dǎo)體XRD、TEM以及電阻率數(shù)據(jù)。

 

圖2. 無限層Pr0.82Sr0.18NiO2超導(dǎo)薄膜高壓下的電阻率。

 

圖3. 無限層Pr0.82Sr0.18NiO2超導(dǎo)薄膜的溫度-壓力相圖。

 

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