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首次制造出“氧化镍”超导体!超导家族又增加新成员

还记得去年2019年8月我们“博科花园”的报告和分析吗:发现了第一种显示出明显超导迹象的氧化镍材料?这引发了全世界科学家寻找更多信息的竞争。这种材料的晶体结构类似于氧化铜,即铜酸盐。它在相对较高的温度和常压下保持着无损导电的世界纪录,但它的电子是否也有同样的行为?这些答案可能有助于促进新的非常规超导体的合成。

它可以用于电力传输、运输等应用,也可以揭示铜酸盐的作用机理。但是经过30多年的研究,这还是一个个的谜!在《自然材料》发表的一篇新论文中,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团队首次详细研究了超导氧化镍(或镍酸盐)的电子结构。科学家使用了两种技术,共振非弹性x光散射(RIXS)和x光吸收光谱(XAS)。

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获得了镍酸盐电子结构的第一张完整的图片,它基本上决定了材料的性质,因为它们的电子排列和行为。铜盐和镍盐是覆盖有其他元素(如稀土离子)的二维薄片。当这些薄片被冷却到一定温度以下时,它们就会变成超导的,它们自由流动的电子密度会在被调整到一个叫做“掺杂”的过程。铜盐是预掺杂“基态”的绝缘体,这意味着它们的电子不能运动。

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掺杂后,电子可以自由移动,但大多局限在铜酸盐层,很少通过中间稀土层到达邻居。然而,研究小组发现镍币的情况并非如此。未掺杂的化合物是一种电子自由流动的金属。此外,中间层实际上向镍层贡献电子,产生三维金属状态,这与在铜酸盐中看到的非常不同。这是过渡金属氧化物(如铜酸盐和镍酸盐)的新基态。

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它为实验和理论研究开辟了一个新的方向,研究超导性是如何产生的,以及如何优化这种个系统以及其他化合物中的超导性!科学家们一直在寻找电性能类似于铜酸盐高温超导体的镍基材料。在掺杂的无限层NiNiO 2中发现了超导性,这加强了这些努力。用x射线能谱和密度泛函理论证明了LaNiO2和NdNiO2的电子结构与铜酸盐相似,但有显著差异。

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与铜酸盐不同,无限镍盐中的稀土隔离层支持弱相互作用的3D金属态,与NiO2层中具有3D {X 2-Y 2}对称性的准2D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兄弟,以其重费米子行为而闻名,NiO_2相关层的作用类似于稀土重费米子化合物中的4f态。这种安德森晶格“氧化物金属间化合物”取代了莫特绝缘态,成为掺杂后超导性的参考态。

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美国能源部SLAC国家加速器实验室

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