你還記得去年2019年8月我們“博科園”報道與解析的：第一種顯示出明顯超導跡象的氧化鎳材料被發現嗎？這引發了世界各地科學家尋找更多信息的競賽，這種材料的晶體結構類似於銅氧化物，即銅酸鹽，它保持著在相對較高的溫度和常壓下無損耗導電的世界紀錄，但是它的電子有沒有同樣的行為呢？這些答案可能有助於推進新的非傳統超導體合成。
並將其用於輸電、運輸和其他應用，還可以揭示銅酸鹽是如何的機制。但經過30多年的研究，這仍然是一個謎！現在發表在《自然材料》期刊上的一篇新論文中，由美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學科學家領導的一個小組，首次詳細研究了超導氧化鎳（或稱鎳酸鹽）的電子結構。科學家們使用了兩種技術，共振非彈性X射線散射(RIXS)和X射線吸收光譜(XAS)。
獲得了鎳酸鹽電子結構的第一張完整圖片，基本上是它們的電子排列和行為，決定了材料的性質。銅酸鹽和鎳酸鹽都是薄薄的二維薄片，上面覆蓋著其他元素，如稀土離子。當這些薄片冷卻到一定的溫度以下時，它們就會變成超導，它們自由流動的電子密度會在一個被稱為“摻雜”的過程中進行調整。銅酸鹽是處於預摻雜“基態”的絕緣體，這意味著它們的電子不能移動。
在摻雜之後，電子可以自由移動，但它們大多被限制在銅酸鹽層，很少通過中間的稀土層到達它們的銅酸鹽鄰居。但研究小組發現，在鎳酸鹽中，情況並非如此。未摻雜化合物是一種電子自由流動的金屬。此外，中間層實際上為鎳層貢獻了電子，創造了一種與在銅酸鹽中看到截然不同的三維金屬狀態。這是過渡金屬氧化物（如銅酸鹽和鎳酸鹽）的一種全新基態。
它為實驗和理論研究超導電性是如何產生的，以及如何在這個系統中以及可能在其他化合物中優化超導電性開闢了新方向！科學家們一直在尋找具有類似於銅酸鹽高溫超導體的電學性質鎳基材料。現在在摻雜的無限層鎳酸鹽NdNiO2中發現了超導電性，加強了這些探索的努力。研究用X射線能譜和密度泛函理論證明了LaNiO2和NdNiO2電子結構雖然與銅酸鹽相似，但包含了顯著的區別。
與銅酸鹽不同的是，無限層鎳鹽中的稀土隔離層支持弱相互作用的三維5d金屬態，它與NiO2層中具有3d{x^2-y^2}對稱性的準二維強關聯態對稱。因此，無限層鎳酸鹽可視為稀土金屬間化合物的同胞，後者以重費米子行為著稱，其中NiO_2相關層的作用類似於稀土重費米子化合物中的4f態。這種安德森點陣狀的“氧化物金屬間化合物”取代了莫特（Mott）絕緣態，成為摻雜後產生超導電性的參考態。
博科園｜研究/來自：美國能源部SLAC國家加速器實驗室
參考期刊《自然材料》
DOI: 10.1038/s41563-019-0585-z
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