理解氧化镍超导体的新飞跃

诸平

Fig. 1 An illustration shows a type of quantum matter called charge density waves, or CDWs, superimposed on the atomic structure of a nickel oxide superconductor. (Bottom) The nickel oxide material, with nickel atoms in orange and oxygen atoms in red. (Top left) CDWs appear as a pattern of frozen electron ripples, with a higher density of electrons in the peaks of the ripples and a lower density of electrons in the troughs. (Top right) This area depicts another quantum state, superconductivity, which can also emerge in the nickel oxide. The presence of CDWs shows that nickel oxides are capable of forming correlated states—"electron soups" that can host a variety of quantum phases, including superconductivity. Credit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Fig. 2 This graph shows what happens inside a nickel oxide material when scientists tweak its temperature and level of doping—replacing some atoms with others to change the number of electrons that can move around. When conditions are just right, the material's electrons lose their individual identities and form an electron soup, and quantum states such as superconductivity (blue) and charge density waves (CDWs, in red) emerge. Credit: Adapted from M. Rossi et al

据美国斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center简称SLAC）国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）2022年7月25日提供的消息，美英科学家合作在理解氧化镍超导体方面取得了的新飞跃（New leap in understanding nickel oxide superconductors）。

上述图1（Fig. 1）显示了一种称为电荷密度波（charge density waves简称CDW）的量子物质，叠加在氧化镍超导体的原子结构上。（底部）氧化镍材料，镍原子呈橙色，氧原子呈红色。（左上）CDW显示为冻结电子涟漪的图案，涟漪峰值的电子密度较高，而波谷中的电子密度较低。（右上）该区域描绘了另一种量子态，超导性，也可以出现在氧化镍中。CDW的存在表明，镍氧化物能够形成关联态——“电子汤（electron soups）”，可以承载各种量子相，包括超导性。

美英科学家的一项新研究表明，氧化镍超导体在比传统超导体更高的温度下导电而无损耗，其中包含一种称为CDW的量子物质，可以伴随超导性。相关研究结果于2022年7月25日已经在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——Matteo Rossi, Motoki Osada, Jaewon Choi, Stefano Agrestini, Daniel Jost, Yonghun Lee, Haiyu Lu, Bai Yang Wang, Kyuho Lee, Abhishek Nag, Yi-De Chuang, Cheng-Tai Kuo, Sang-Jun Lee, Brian Moritz, Thomas P. Devereaux, Zhi-Xun Shen, Jun-Sik Lee, Ke-Jin Zhou, Harold Y. Hwang, Wei-Sheng Lee. A broken translational symmetry state in an infinite-layer nickelate. Nature Physics, Published: 25 July 2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01660-6. https://www.nature.com/articles/s41567-022-01660-6

参与此项研究的有来自美国能源部SLAC国家加速器实验室（Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA, USA）、美国斯坦福大学（Stanford University）、美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA）以及英国钻石光源（Diamond Light Source, Harwell Campus, Didcot, UK）的研究人员。

此论文指出，CDW的存在表明，这些最近发现的材料（materials），也被称为镍酸盐（nickelates），能够形成关联态——“电子汤”（correlated states—"electron soups"），可以容纳各种量子相，包括超导性。

领导这项研究的斯坦福材料与能源科学研究所（Stanford Institute for Materials and Energy Science简称SIMES）SLAC首席科学家兼研究员李伟生（Wei Sheng Lee音译）说：“与我们所知的任何其他超导体不同，CDW甚至在我们掺杂材料之前就出现了，通过用其他原子替换一些原子来改变自由移动的电子数。这使镍酸盐成为一个非常有趣的新系统，成为研究非传统超导体的新场所。”

镍酸盐和铜酸盐（Nickelates and cuprates）

自第一个非传统的“高温”超导体被发现以来的35年里，研究人员一直在竞相寻找一种能在接近室温的情况下不损耗电的超导体。这将是一个革命性的发展，允许使用诸如完美高效的电力线、磁悬浮列车和许多其他未来的节能技术。

但是，尽管一项强有力的全球研究工作，已经在许多方面限制了它们的性质和行为，但人们仍然不知道这些材料是如何变得超导的。因此，SIMES研究人员三年前发现的镍酸盐的超导能力令人兴奋，因为它为科学家们对这个问题提供了一个新的视角。

从那时起，SIMES的研究人员就探索了镍酸盐的电子结构，基本上就是它们的电子行为和磁行为。这些研究发现了镍酸盐和铜氧化物或铜酸盐之间的重要相似性和细微差异。铜氧化物或铜酸盐是迄今为止发现的第一种高温超导体，也是日常压力下高温操作的世界纪录保持者。

由于镍和铜在元素周期表（ periodic table of the elements）中紧靠在一起，科学家们对镍和铜之间的亲缘关系并不感到惊讶，事实上，他们怀疑镍酸盐可能是良好的超导体。但事实证明，要构造出具有正确特性的材料非常困难。

李伟生说：“这仍然是非常新的。人们仍在努力合成这些材料的薄膜，并了解不同条件如何影响与超导性相关的潜在微观机制。”

上述图2（Fig. 2）显示了当科学家调整镍氧化物材料的温度和掺杂水平，用其他原子替换一些原子来改变可以移动的电子数量时，材料内部会发生什么。当条件合适时，材料中的电子会失去各自的特性，形成电子汤，出现如超导性(蓝色)和电荷密度波(红色) 等量子态。

冻结的电子涟漪（Frozen electron ripples）

CDW只是在超导材料中争夺突出地位的奇怪物质状态之一。你可以把它们看作是叠加在材料原子结构上的冻结电子涟漪图案，涟漪峰值的电子密度较高，而波谷中的电子密度较低。

随着研究人员调整材料的温度和掺杂水平，各种状态出现和消失。当条件合适时，材料中的电子会失去各自的特性，形成电子汤，从而出现超导性和CDW等量子态。

SIMES小组早期的一项研究没有在含有稀土元素钕（neodymium，Nd）的镍酸盐中发现CDW。但在这项最新研究中，SIMES团队创建并研究了一种不同的镍酸盐材料，其中钕被另一种稀土元素镧(lanthanum, La所取代。

“CDW的出现对周围环境中的应变或无序非常敏感，可以通过使用不同的稀土元素进行调节，”在SLAC担任博士后研究员期间领导了这项实验的马泰奥·罗西（Matteo Rossi）解释道。

该团队在三种X射线光源——英国的钻石光源（Diamond Light Source in the UK）、SLAC的斯坦福同步辐射光源（Stanford Synchrotron Radiation Lightsource at SLAC）和DOE劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源（Advanced Light Source at DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory）上进行了实验。这些设施中的每一个都提供了专门的工具，用于在基本水平上探测和理解材料。由于新冠疫情大流行的限制，所有的实验都必须远程进行。

‘本质上是自掺杂'（'Essentially self-doping'）

实验表明，这种镍酸盐可以同时具有CDWs和超导状态的物质，而且这些状态甚至在材料掺杂之前就已经存在了。这是令人惊讶的，因为掺杂通常是使材料超导的一个重要部分。

李伟生说，这种镍酸盐（nickelate）本质上是自掺杂的，这使得它与铜酸盐有很大的不同。

“这使得镍酸盐成为一种非常有趣的新系统，用于研究这些量子相是如何相互竞争或交织的，”他说，“这意味着许多用于研究其他非传统超导体的工具也可能与此相关。”

本研究得到了美国能源部（US Department of Energy简称DOE）、科学办公室（Office of Science）、基础能源科学（Basic Energy Sciences）、材料科学（Materials Sciences）及工程部（Engineering Division）的支持（US Department of Energy (DOE), Office of Science, Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division, under contract no. DE-AC02-76SF00515）；戈登和贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation’s Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative through grant no. GBMF9072 for synthesis equipment）、以及亚历山大-冯-洪堡基金会通过Feodor Lynen博士后奖学金（Alexander-von-Humboldt Foundation via a Feodor–Lynen postdoctoral fellowship）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

首次对镍酸盐磁性的研究发现，它与铜酸盐超导体有很强的亲缘关系（First study of nickelate's magnetism finds a strong kinship with cuprate superconductors）

Abstract

A defining signature of strongly correlated electronic systems is a rich phase diagram, which consists of multiple broken symmetries, such as magnetism, superconductivity and charge order^1,2. In the recently discovered nickelate superconductors^{3,4,5,6,7,8,9,10}, a large antiferromagnetic exchange energy has been reported, which implies the existence of strong electronic correlations¹¹. However, signatures of a broken-symmetry state other than superconductivity have not yet been observed. Here we observe charge ordering in infinite-layer nickelates La_1−xSr_xNiO₂ using resonant X-ray scattering. The parent compound orders along the Ni–O bond direction with an incommensurate wavevector, distinct from the stripe order observed in other nickelates^12,13,14 that propagates along a direction 45° to the Ni–O bond. The resonance profile we measure indicates that ordering originates from the nickelate layers and induces a parasitic charge modulation of lanthanum electrons. Upon doping, the charge order diminishes and its wavevector shifts towards commensurate, hinting that strong electronic correlations are likely to be responsible for the ordered state. Our results suggest that the existence of charge order and its potential interplay with antiferromagnetic fluctuations and superconductivity are important themes in nickel-based superconductors.