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中科大超导研究团队在无限层镍基超导体的磁性研究中取得重要进展

发稿时间:2020-05-17浏览次数:10

我校合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理系陈仙辉研究团队(dui)(dui)的(de)吴涛教授与南(nan)方(fang)科技大学梅佳(jia)伟、王善民等人合作在无限层镍(nie)基(ji)超导(dao)体的(de)磁(ci)性研究中取得(de)重要进展。该研究团队(dui)(dui)成(cheng)功测量了(le)无限层镍(nie)基(ji)超导(dao)体母体材料(liao)LaNiO2的(de)本征磁化率(lv)并(bing)观察到类似于(yu)高(gao)温超(chao)导(dao)体(ti)的(de)“赝(yan)能(neng)隙(xi)”行为(wei)(wei),为(wei)(wei)研究(jiu)(jiu)高(gao)温超(chao)导(dao)体(ti)中的(de)超(chao)导(dao)机理以及赝(yan)能(neng)隙(xi)的(de)物理起源提供(gong)了新的(de)实(shi)验证据(ju)。相关研究(jiu)(jiu)成(cheng)果于(yu)5月10日以“Intrinsic  Spin Susceptibility and Pseudogap-like Behavior in Infinite-Layer LaNiO2”为题在(zai)线发表于物(wu)理(li)学知名杂志《物(wu)理(li)评论快报(bao)》上[Phys. Rev. Lett.126,197001 (2021)]。

铜氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)(wu)中(zhong)(zhong)(zhong)高(gao)(gao)温(wen)超(chao)导(dao)电性的物(wu)(wu)理机(ji)制一(yi)直是凝聚态物(wu)(wu)理中(zhong)(zhong)(zhong)的未解之谜。其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)一(yi)种探(tan)索其(qi)(qi)机(ji)理的思路(lu)是希(xi)望(wang)能通过(guo)探(tan)索与铜氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)(wu)高(gao)(gao)温(wen)超(chao)导(dao)体具有(you)类似(si)结构和(he)电子组态的超(chao)导(dao)材料来检(jian)验其(qi)(qi)超(chao)导(dao)机(ji)理,其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)(zhong)与无限层铜氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)(wu)超(chao)导(dao)体CaCuO2类似的无限层镍酸盐材(cai)料(liao)ReNiO2 (Re = La, Nd,Pr)受到了大家长期以来(lai)的(de)关(guan)注(zhu)。2019年,美国斯坦(tan)福大学(xue)的(de)科(ke)学(xue)家在(zai)锶掺(chan)杂的(de)NdNiO2薄(bo)膜(mo)成(cheng)功(gong)观察到15 K的(de)超导电性,无(wu)限层(ceng)镍基超导体(ti)中的(de)超导电性是否与铜氧化物(wu)中的(de)高温超导电性具有类似(si)的(de)超导机理是迫切需(xu)回答的(de)问题。

在铜氧化合(he)物超(chao)导体中(zhong),磁性(xing)(xing)交换作用被(bei)认为是高(gao)(gao)温超(chao)导电性(xing)(xing)的(de)(de)(de)一(yi)个关键要素(su),那么在无限(xian)层镍(nie)基(ji)超(chao)导体中(zhong)是否也(ye)具有强的(de)(de)(de)磁性(xing)(xing)交换作用呢?目前,由于无限(xian)层镍(nie)基(ji)超(chao)导体中(zhong)的(de)(de)(de)超(chao)导电性(xing)(xing)只在薄膜材料中(zhong)被(bei)发现,这极(ji)大地限(xian)制了对(dui)(dui)其磁性(xing)(xing)质的(de)(de)(de)实(shi)验(yan)研究(jiu),因此领(ling)域内对(dui)(dui)该材料的(de)(de)(de)磁性(xing)(xing)还一(yi)直没有十分清楚的(de)(de)(de)实(shi)验(yan)测量(liang)(liang)并存在大量(liang)(liang)的(de)(de)(de)争论。为了回答(da)这一(yi)问(wen)题,我校陈仙辉教授领(ling)衔的(de)(de)(de)超(chao)导研究(jiu)团(tuan)队与南方科技大学梅佳伟和王善民课题组开展合(he)作研究(jiu),在制备纯度较高(gao)(gao)的(de)(de)(de)无限(xian)层镍(nie)基(ji)超(chao)导体母体LaNiO2多晶材料的(de)基(ji)础上,利用核(he)磁(ci)(ci)共(gong)振方(fang)法对该材料进行了低温磁(ci)(ci)性研究。通过测量139La原子核(he)的(de)超精细相互作用以及自旋-晶格弛豫率,成功获得了(le)该体(ti)(ti)系(xi)本(ben)征的(de)磁(ci)(ci)化性(xing)质。首先,实验发(fa)(fa)现(xian)该母体(ti)(ti)材(cai)料并不像铜氧化合物超导(dao)体(ti)(ti)的(de)母体(ti)(ti)材(cai)料一样具有(you)长程的(de)反铁(tie)磁(ci)(ci)有(you)序(xu),而(er)且一直到240mK的(de)极低温度,该材(cai)料也没(mei)有(you)出现(xian)磁(ci)(ci)性(xing)涨落的(de)临界行(xing)(xing)为(wei),表明(ming)该体(ti)(ti)系(xi)的(de)磁(ci)(ci)性(xing)基态远离(li)了(le)反铁(tie)磁(ci)(ci)有(you)序(xu)态。其次,虽(sui)然没(mei)有(you)发(fa)(fa)生(sheng)反铁(tie)磁(ci)(ci)有(you)序(xu),但(dan)是(shi)体(ti)(ti)系(xi)的(de)高(gao)温磁(ci)(ci)化行(xing)(xing)为(wei)也并非通常人们所(suo)熟(shu)知的(de)顺磁(ci)(ci)行(xing)(xing)为(wei),而(er)是(shi)表现(xian)出了(le)一种类似于(yu)铜氧化合物高(gao)温超导(dao)体(ti)(ti)中的(de)“赝能隙(xi)”行(xing)(xing)为(wei),即奈特位移(Ks)和自旋(xuan)-晶(jing)格(ge)弛(chi)豫率(1/T1T)呈现出一种随温度降低而显(xian)著下降的行(xing)为。在传统的巡游磁性理论中,奈特位移和自旋-晶格弛豫率分别正比于费(fei)米面态密(mi)度(N(EF))的(de)(de)(de)(de)一(yi)次方和平方,因(yin)此(ci)它们随温度基(ji)本(ben)上(shang)没有显著(zhu)的(de)(de)(de)(de)依赖(lai)关(guan)(guan)(guan)系(xi);而(er)在(zai)传统(tong)的(de)(de)(de)(de)局域磁(ci)性(xing)理(li)论中,顺磁(ci)态一(yi)般满(man)足居里-外斯定律,即随温度降(jiang)低而(er)显著(zhu)升高。因(yin)此(ci),“赝(yan)能隙(xi)(xi)(xi)”行(xing)(xing)为超(chao)出了传统(tong)理(li)论对顺磁(ci)态行(xing)(xing)为的(de)(de)(de)(de)理(li)解。在(zai)铜氧(yang)化物(wu)高温超(chao)导(dao)(dao)体中,核(he)磁(ci)共振(zhen)实验中的(de)(de)(de)(de)“赝(yan)能隙(xi)(xi)(xi)”行(xing)(xing)为被(bei)认为与体系(xi)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)性(xing)交(jiao)(jiao)换作(zuo)用(yong)相(xiang)关(guan)(guan)(guan),当磁(ci)性(xing)交(jiao)(jiao)换作(zuo)用(yong)导(dao)(dao)致(zhi)强(qiang)的(de)(de)(de)(de)自旋(xuan)关(guan)(guan)(guan)联而(er)又不形成长程(cheng)有序时,就(jiu)有可能出现“赝(yan)能隙(xi)(xi)(xi)”行(xing)(xing)为。类似的(de)(de)(de)(de)“赝(yan)能隙(xi)(xi)(xi)”行(xing)(xing)为也同(tong)样(yang)在(zai)铁(tie)基(ji)超(chao)导(dao)(dao)体的(de)(de)(de)(de)宏(hong)观磁(ci)化以及核(he)磁(ci)共振(zhen)实验中被(bei)观察到(dao)(X.  F. Wang et al.,Phys. Rev. Lett. 102, 117005 (2009);Y. P. Wu et al.,  Phys. Rev. Lett.116, 147001 (2016); B. L. Kang et al., Phys. Rev. Lett.  125, 097003  (2020))。因(yin)此(ci),目前(qian)的(de)(de)(de)(de)实验表明:在(zai)无限层镍基(ji)超(chao)导(dao)(dao)体中,强(qiang)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)性(xing)交(jiao)(jiao)换作(zuo)用(yong)也同(tong)样(yang)是(shi)一(yi)个关(guan)(guan)(guan)键(jian)的(de)(de)(de)(de)因(yin)素(su),这对于(yu)理(li)解高温超(chao)导(dao)(dao)体中的(de)(de)(de)(de)超(chao)导(dao)(dao)机理(li)将起到(dao)重要的(de)(de)(de)(de)启示作(zuo)用(yong)。

图:(a) LaNiO3和LaNiO2的(de)晶体结构(gou)。通(tong)过(guo)CaH2还原LaNiO3可以得到LaNiO2。(b)LaNiO2和LaNiO3中(zhong)自旋-晶格弛豫率(1/T1)随温(wen)度的(de)变化(hua)关系。(c)上半(ban)图:LaNiO2的奈特位移(Ks)随温度变(bian)化的(de)关(guan)系。下半图:LaNiO2中1/T1T随温(wen)度(du)变(bian)化的(de)曲线。

合(he)肥微(wei)尺度物质(zhi)科学国家研究(jiu)中心的博士后(hou)赵丹为该忘了相(xiang)(xiang)关(guan)的文(wen)章(zhang)(zhang)的第一(yi)作(zuo)者,吴涛教授(shou)和梅佳伟教授(shou)为上述文(wen)章(zhang)(zhang)的共同通讯(xun)作(zuo)者。相(xiang)(xiang)关(guan)工作(zuo)得到(dao)了科技部、国家自然科学基(ji)金(jin)委、中科院以(yi)及安徽(hui)省(sheng)引导项(xiang)目的相(xiang)(xiang)关(guan)基(ji)金(jin)资助。

论(lun)文(wen)链接(jie):


(合肥(fei)微(wei)尺度物质科学国家研究中心(xin)、物理学院(yuan)、科研部)


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