新火種
2023-11-01 
發現一只“看不見的手”！電子科技大學鎳基超導研究獲新突破
據位于四川成都的電子科技大學消息，3月2日，該校物理學院喬梁教授團隊在超導新材料研究領域取得重大突破，為鎳基超導領域的發展開辟了嶄新的思路。該研究結果在線發表在國際學術期刊《自然》（Nature）上。
電子科技大學物理學院喬梁教授團隊在超導新材料研究領域取得突破，相關論文在線發表在國際學術期刊《自然》（Nature）上。
研究人員首次發現，鎳基超導體——無限層鎳氧化物超導體——之所以擁有超導電性的關鍵性元素是氫（H）。氫元素就像一只“看不見的手” ，在無限層結構鎳基氧化外延單晶薄膜的制備過程中，起到改變費米面電子結構的作用。
此外，研究人員還首次通過實驗觀察到奇異電子態（間隙位s軌道）。
研究人員首次發現，鎳基超導體之所以擁有超導電性的關鍵性元素是氫。
3月2日，前述論文的通訊作者之一、電子科技大學物理學院教授喬梁向澎湃科技表示，這是鎳基超導領域的第二篇《自然》期刊論文。上一篇這樣的論文，是4年前、2019年美國斯坦福大學發現鎳基超導材料，把這種材料從無到有制造出來了。但這個領域的發展一直比較困難，因為不知道為什么它可以超導，以及其他課題組做出的類似樣品為什么不超導。目前全世界只有很少幾個課題組可以做出鎳基超導樣品來。
喬梁告訴澎湃新聞，“我們這是一個基礎研究”，比較革命性，首次通過實驗發現了氫的存在，發現氫對鎳基超導很重要，并從實驗和原理層面解釋了氫對超導的貢獻，同時告訴大家，之前的很多相關論文以及理論都不完全準確，因為之前完全沒有考慮到氫的存在和作用，所以，這個研究成果可以從源頭上加深我們對超導的理解。
喬梁表示，雖然我們目前發現了為什么之前這個材料不太好制備的原因，可以有效推進鎳基超導領域的研究，但如何非常方便、非常簡單、有效、精準地調控氫的摻入，還有很多問題要解決。
喬梁解釋說，他們研究發現，鎳基材料中的氫一方面“殺死”間隙位s軌道，超導就出現；但是當氫再多一點，摻雜效應就出來了，“過猶不及”。
由于大量超導材料的研究都要在超低溫環境下進行，喬梁向澎湃科技表示，希望有機會在太空的天然超低溫環境下開展相關研究，并測試相關材料的應用。
對于無限層鎳氧化物超導體中的“無限層”，喬梁表示，通過化學的方法，這種材料中特定結構位置的氧原子被奪走，無限層”可以被理解成二維平面結構的材料，只有X軸和Y軸。
（a）RIXS實驗觀測到的IIS軌道激發；（b）DFT理論計算的IIS軌道；（c）IIS軌道與Ni3dx2-y2、Ni3dz2、Nd5dz2、O2p等軌道的雜化示意圖。
據介紹，鎳基超導研究是當前凝聚態物理的前沿領域，對于揭示高溫超導的本征物理機制和新一代超導技術的發展具有重要推動作用。
自2019年美國斯坦福大學Hwang教授課題組率先在基于無限層結構的鎳氧化物外延薄膜（Nd0.8Sr0.2NiO2）中發現了超導電性以來，鎳基超導領域的發展并不順利。雖然鎳基超導的一些新現象相繼被報道，但其超導的起源之謎和樣品制備難度大、不同課題組間的重現性差，成為困擾該領域的兩大難題，制約著鎳基超導領域的發展。
一般來說，物理規律是客觀存在的。當不同科學家的課題組制備的材料樣品頻繁出現“性能不能重現”的問題時，第一直覺就是材料內部可能存在著不為人知的“隱變量”，從而“悄悄”改變了制備出的材料的物理性能。
喬梁團隊通過系統深入的研究，利用極高元素敏感性的飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）發現鎳基超導外延薄膜中存在大量的氫元素。
氫元素對無限層鎳氧化物超導電性是否有影響呢？該團隊通過極低溫強磁場輸運性質研究發現，在Sr含量不變的情況下，通過調控H元素的含量，可以實現“弱絕緣→超導→弱絕緣”的連續相變，說明H元素的確對超導電性的出現有關鍵的作用。進一步，這些結果可以解釋為什么鎳基超導外延薄膜的生長如此困難，在世界范圍內僅有少數課題組可以成功制備零電阻超導樣品，而且樣品重復性差。主要原因就是之前不同課題組的實驗，有可能沒有考慮到H元素的存在對超導的影響，沒有精確控制樣品的H含量。
為了進一步理解H元素究竟是怎樣影響鎳基材料超導電性的，并揭示其微觀機制，該團隊通過基于同步輻射的共振X射線非彈性散射（RIXS）技術和電子結構計算研究了鎳基超導體費米面附近的電子結構，首次在實驗上觀察到了奇異電子態，即巡游的間隙位s軌道（IIS），并結合理論發現H元素與IIS軌道的雜化，有利于降低Ni3d-Nd5d和Ni3d-IIS的軌道耦合，促進超導態的出現。
這表明，氫元素就像一只“看不見的手”，在無限層結構鎳基氧化外延單晶薄膜的制備過程中悄悄地起到改變費米面電子結構的作用，并在鎳基材料超導電性的產生過程中扮演著關鍵性的角色。該研究結果糾正了我們對該類材料電子結構的認識，為理解鎳基超導的物理起源提供了關鍵信息，也為未來的深入理解鎳基超導的相關物理和材料性能，提供了準確的物理模型。
作為自然界最簡單的、元素周期表排名第一的元素，氫原子具有最小的原子半徑和原子質量，因此氫與常規探測媒介（光子、電子等）相互作用弱、散射截面小，導致其很難被探測到。
在科學歷史上，氫元素曾經制造過幾起著名的“懸疑事件”。典型的例子之一就是基于GaN的藍光二極管（LED）的故事。早在上世紀80年代，制造藍光LED的主要技術限制是缺乏穩定且有效的P型GaN。在實驗科學家們通過技術途徑在Mg摻雜的GaN中實現了P型導電和藍光LED后若干年，理論科學家才揭開了這個謎團：一方面，氫通過形成MgGa-H“缺陷對”，有助于穩定P型摻雜GaN的晶格結構；另一方面，氫離子的介入“暗中”補償了MgGa缺陷誘導的空穴摻雜效果，導致P型摻雜的GaN不導電。而發現“隱藏的”氫元素、并進一步克服氫元素帶來的問題，成為成功實現藍光LED 產業化的關鍵，也帶我們進入了當今五彩繽紛的LED時代。
電子科技大學物理學院為前述最新發表的論文的第一完成單位。電子科技大學喬梁、英國Diamond光源周克瑾、北京計算科學研究中心黃兵等為論文的共同通訊作者。該研究還得到了來自成都大學、北京大學和澳大利亞新南威爾士大學等課題組的鼎力支持。
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