中国科大发现镍基高温超导机制的重要实验证据
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高温超导机理是凝聚态物理领域的“世纪难题”。近日，中国科学技术大学何俊峰教授研究组与南方科技大学薛其坤院士、陈卓昱副教授研究组合作，在新型镍基高温超导的机理研究中取得重大突破：首次在Ruddlesden-Popper相双层镍氧化物高温超导薄膜中直接观测到无节点超导能隙并发现电子-玻色子耦合，为镍基高温超导机制的两个核心问题“超导能隙对称性”和“超导配对机制”提供了关键实验证据。相关成果发表于国际顶级学术期刊《科学》（Science）杂志。
超导现象自1911年被发现以来，因其极限电磁性能，成为国际科学界的一个重要研究方向。传统超导体的超导转变温度非常低，极大地限制其应用场景。因此，探索高温超导材料、理解高温超导机理成为国际超导研究的关键科学问题。超导发现之后的一个世纪，铜基和铁基两类高温超导材料被发现；然而，由于高温超导机理复杂，经过几十年的探索仍未破解。近期，镍基高温超导的出现，为理解高温超导机理提供了新的机遇。因此，率先获得镍基高温超导机制的关键实验证据成为全球科学家的最新竞技场。
新技术的突破：在前期研究中，南方科技大学薛其坤院士、陈卓昱副教授研究组在镍氧化物薄膜中实现了常压高温超导（Nature 640, 641–646 (2025)），为探测镍基高温超导电子结构提供了重要的材料窗口。在本项目研究中，中国科大与南方科大研究团队紧密合作。南方科大团队负责优化高温超导薄膜生长，获得高质量样品。针对薄膜容易丢失氧进而失去超导的技术“卡点”，中国科大团队牵头与南方科大团队联合自主研发了基于液氮的超高真空低温淬火与样品传输新技术，成功实现样品从深圳到合肥的“超高真空全冷链”传输。最终，运用中国科大团队研制的高分辨率激光角分辨光电子能谱成功实现对高温超导薄膜样品的关键电子结构探测，并结合上海同步辐射光源形成完备测量。此项电子结构测量结果在Ruddlesden-Popper相双层镍氧化物高温超导薄膜中揭示了“无节点超导能隙”和“电子-玻色子耦合”现象，为“超导能隙对称性”和“超导配对机制”这两个高温超导核心问题的理解提供了关键实验证据。
无节点超导能隙的发现：在高温超导研究中，国际公认“超导能隙对称性”对于高温超导机制的理解具有里程碑意义。因此，在新型镍基高温超导中探索“超导能隙对称性”成为当前国际高温超导研究的最前沿。具体而言，超导能隙在动量空间中是否有“节点”（超导能隙大小为0的点），是揭示超导能隙对称性的一个关键指标。研究团队针对Ruddlesden-Popper相双层镍氧化物 (La,Pr,Sm)3Ni2O7超导薄膜展开电子结构测量，利用高分辨率的激光角分辨光电子能谱观测到超导准粒子相干峰，并进一步揭示超导能隙大小及其动量依赖，发现在材料整个动量空间（布里渊区）中没有能隙节点。这一实验结果与d波节点能隙不同，与s波（s±）超导能隙对称性更为符合。
图1 无节点超导能隙示意图
电子-玻色子耦合的发现：在高温超导中，“电子配对”是形成超导的关键一步。理解电子如何配对也是解决高温超导机制的一个核心问题。理论认为，本应当相互排斥的两个电子可能以某种玻色子为媒介（胶水），通过“电子-玻色子耦合”实现配对。研究团队通过对Ruddlesden-Popper相双层镍氧化物 (La,Pr,Sm)3Ni2O7超导薄膜电子结构测量，在电子能带色散中发现了费米能级以下~70 meV处的能带扭折--这是电子-玻色子耦合的典型谱学特征。通过定量分析，研究团队确认了电子-玻色子耦合的存在。值得强调的是：类似的电子-玻色子耦合在铜基高温超导中也存在。因此，这一现象在镍基高温超导中的发现展现出重要的普适性，对理解高温超导电子配对机制提供了关键实验证据。
图2 电子-玻色子耦合的发现
中国科学技术大学为论文第一单位。在本项合作研究中，何俊峰教授负责中国科学技术大学团队的研究工作，薛其坤院士和陈卓昱副教授负责南方科技大学团队的研究工作。中国科学技术大学博士研究生沈建昌、缪宇、欧志鹏，南方科技大学副研究员周广迪、助理研究员李鹏为论文共同第一作者。何俊峰教授、薛其坤院士和陈卓昱副教授为论文共同通讯作者。该研究得到科技部、教育部、基金委等项目支持。
论文链接：DOI：10.1126/science.adw8329
（物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）
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