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  • 高温且常压下,无损耗导电!氧化镍超导体,完成首次详细电子研究

    你还记得去年2019年8月我们“博科园”报道与解析的:第一种显示出明显超导迹象的氧化镍材料被发现吗?这引发了世界各地科学家寻找更多信息的竞赛,这种材料的晶体结构类似于铜氧化物,即铜酸盐,它保持着在相对较高的温度和常压下无损耗导电的世界纪录,但是它的电子有没有同样的行为呢?这些答案可能有助于推进新的非传统超导体合成。

    高温且常压下,无损耗导电!氧化镍超导体,完成首次详细电子研究

    并将其用于输电、运输和其他应用,还可以揭示铜酸盐是如何的机制。但经过30多年的研究,这仍然是一个谜!现在发表在《自然材料》期刊上的一篇新论文中,由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学科学家领导的一个小组,首次详细研究了超导氧化镍(或称镍酸盐)的电子结构。科学家们使用了两种技术,共振非弹性X射线散射(RIXS)和X射线吸收光谱(XAS)。

    高温且常压下,无损耗导电!氧化镍超导体,完成首次详细电子研究

    获得了镍酸盐电子结构的第一张完整图片,基本上是它们的电子排列和行为,决定了材料的性质。铜酸盐和镍酸盐都是薄薄的二维薄片,上面覆盖着其他元素,如稀土离子。当这些薄片冷却到一定的温度以下时,它们就会变成超导,它们自由流动的电子密度会在一个被称为“掺杂”的过程中进行调整。铜酸盐是处于预掺杂“基态”的绝缘体,这意味着它们的电子不能移动。

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    在掺杂之后,电子可以自由移动,但它们大多被限制在铜酸盐层,很少通过中间的稀土层到达它们的铜酸盐邻居。但研究小组发现,在镍酸盐中,情况并非如此。未掺杂化合物是一种电子自由流动的金属。此外,中间层实际上为镍层贡献了电子,创造了一种与在铜酸盐中看到截然不同的三维金属状态。这是过渡金属氧化物(如铜酸盐和镍酸盐)的一种全新基态。

    高温且常压下,无损耗导电!氧化镍超导体,完成首次详细电子研究

    它为实验和理论研究超导电性是如何产生的,以及如何在这个系统中以及可能在其他化合物中优化超导电性开辟了新方向!科学家们一直在寻找具有类似于铜酸盐高温超导体的电学性质镍基材料。现在在掺杂的无限层镍酸盐NdNiO2中发现了超导电性,加强了这些探索的努力。研究用X射线能谱和密度泛函理论证明了LaNiO2和NdNiO2电子结构虽然与铜酸盐相似,但包含了显著的区别。

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    与铜酸盐不同的是,无限层镍盐中的稀土隔离层支持弱相互作用的三维5d金属态,它与NiO2层中具有3d{x^2-y^2}对称性的准二维强关联态对称。因此,无限层镍酸盐可视为稀土金属间化合物的同胞,后者以重费米子行为著称,其中NiO_2相关层的作用类似于稀土重费米子化合物中的4f态。这种安德森点阵状的“氧化物金属间化合物”取代了莫特(Mott)绝缘态,成为掺杂后产生超导电性的参考态。

    高温且常压下,无损耗导电!氧化镍超导体,完成首次详细电子研究

    博科园|研究/来自:美国能源部SLAC国家加速器实验室

    参考期刊《自然材料》

    DOI: 10.1038/s41563-019-0585-z

    博科园|科学、科技、科研、科普

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