南京大学闻海虎团队和聂越峰团队合作在镍基新超导体机理研究中取得重要进展

铜氧化物超导体自从1986年被发现以来，其超导机理一直被本领域科学家高度关注。具有库仑排斥的两个电子，为什么在高达160多开尔文（约等于零下113度）下仍然能够相互吸引形成电子配对，并凝聚成为宏观的量子相干态，这是横亘在凝聚态物理领域的一个重大科学问题。2008年至今，铁基超导体家族的发现和壮大也为超导机理的研究注入了新的活力。随着研究的深入，从仅有的两大非常规超导家族出发，实际上人们很难直接得到普遍的规律和共识。如果出现一个除铜基，铁基之外的第三家族的超导体，这一情况可能得到很大的改善。2019年，美国斯坦福大学小组在介于铁、铜之间的镍元素所形成的氧化物Nd1-xSrxNiO2薄膜中发现了9-15 K左右的超导电性，它似乎具有与铜氧化物超导体类似的3d9最外层电子轨道，这为非常规超导机理的研究提供了一个崭新的平台。科学界非常关心它的超导形成与铜氧化物超导体有何异同，因此在学界迅速掀起了对镍基超导体研究的热潮。 超导体内部的单粒子激发需要一定的能量即为超导能隙，这也是超导态为什么能够在一定温度下稳定存在的原因。而两个电子形成配对的内在因素直接决定着超导能隙函数的表现形式。因此探测非常规超导体的机理问题的首要任务是知道超导能隙的函数形式。就镍基超导体实验而言，得到Nd1-xSrxNiO2超导薄膜样品似乎比较困难，因此国际上关于Nd1-xSrxNiO2薄膜的相关实验还不是很多，许多实验并不能直接反映超导的能隙函数。最近南京大学闻海虎团队和聂越峰、潘晓晴团队通力合作，成功在Nd1-xSrxNiO2超导薄膜样品中测量到高质量的扫描隧道谱，证明了Nd1-xSrxNiO2中存在两类超导能隙，一类是V型隧道谱即典型的d波超导能隙，能隙最大值为3.9meV，这一点与铜氧化物超导体及其类似；而另一类是完全能隙形式（full gap）的隧道谱，能隙值为2.35meV，这一点又与铜氧化物不一致，而与铁基超导体相似。聂越峰实验组利用分子束外延（MBE）技术制备出高质量的Nd1-xSrxNiO3 (113)薄膜及具有初步超导转变的Nd1-xSrxNiO2 (112)薄膜，闻海虎小组进行了后续的氢化处理，进一步优化了Nd1-xSrxNiO2 (112)镍基薄膜的超导转变温度及表面平整度，这是实验能够获得成功的关键因素之一。这一结果揭示了Nd1-xSrxNiO2超导体的能隙函数，发现与铜氧化物之间既有相似之点也有不同之处，并为接下来继续对镍基超导体开展深入研究奠定了坚实的实验基础。