南京大学聂越峰教授课题组发布双层镍氧化物薄膜超导相图新进展

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文章导读

你正为高温超导的“铜基霸权”感到理论瓶颈？当全世界都在死磕铜氧化物时，南京大学聂越峰团队悄悄用双层镍氧化物La3-xSrxNi2O7-δ撕开了一道新口子。我们扒了他们刚发在《Physical Review Letters》的相图发现，这个体系不仅存在清晰的超导“穹顶”，还诡异出现了电子型到空穴型载流子的转换——这一特征竟与电子掺杂铜基超导体惊人相似。这意味着什么？如果镍基也能复现铜基的关键量子行为，那高温超导的统一理论是否将迎来颠覆性拼图？更关键的是，这种通过Sr掺杂与氧含量双重调控实现的稳定相图，暗示着一个被长期忽视的调控维度正在浮出水面。这场材料革命的起点，可能比你想象得更近。

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近日，南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授课题组在镍基超导研究方面取得重要进展。该研究团队利用氧化物分子束外延技术（OMBE）制备了高质量的双层镍氧化物La_3-_xSr_xNi₂O_7-δ薄膜，进一步通过Sr²⁺掺杂和氧含量的调控系统探究了该体系的输运性质，观测到清晰的“穹顶”状超导区域以及电子型-空穴型载流子转换现象，为深入理解这类新型非常规超导体的机理提供了重要实验依据。

超导“穹顶”是非常规超导体的典型特征之一。在铜基、铁基、及重费米子等体系中，超导转变温度Tc随掺杂（或等效参数）的变化呈现特征性的穹顶形状，这一行为通常伴随多种量子序的相互竞争与共存。构建并解析此类复杂相图，是理解非常规超导配对机制的重要途径。近年来，新发现的双层镍氧化物超导体La_3-_xSr_xNi₂O_7-δ具有区别于铜基高温超导体的独特电子结构与磁基态，为非常规高温超导机理研究提供了新的材料平台。然而受制于高质量样品制备的挑战，该体系中是否具有类似的超导穹顶及其完整的载流子相图仍缺乏系统的研究。

南京大学聂越峰教授课题组发布双层镍氧化物薄膜超导相图新进展

图1 (a-b) La_2.79Sr_0.21Ni₂O_7-_δ薄膜的输运性质随O含量的演化；(c) La_2.79Sr_0.21Ni₂O_7-_δ薄膜的电输运相图；(d) La_3-_xSr_xNi₂O_7-_δ薄膜中的超导穹顶及电子型-空穴型载流子转换现象。

在本工作中，研究团队采用氧化物分子束外延技术，制备出高质量La₃Ni₂O₇超导薄膜，通过Sr掺杂与O含量调控两种手段调节载流子浓度，进而调控薄膜的电输运行为，并借助霍尔效应追踪载流子浓度的变化趋势，成功揭示了双层镍氧化物中普遍存在的载流子依赖超导穹顶（图1）。此外，在超导穹顶上方还观测到线性电阻区和对数绝缘区，这些行为与其他非常规超导体类似。值得注意的是，超导转变温度的最大值对应于输运行为从电子型到空穴型的转变，这一特征与电子掺杂铜基超导体类似，暗示在最佳掺杂附近可能存在费米面重构与量子临界行为，有待进一步探索。本工作通过阳离子掺杂与阴离子调控两种方法实现了载流子的有效调节，构建了载流子掺杂的超导相图并观测到电子型到空穴型的转变现象，为理解镍基超导物理机制提供了关键的实验基础。

相关成果以“Superconducting Dome in La_3-_xSr_xNi₂O_7-_δ Thin Films”为题发表在Physical Review Letters期刊上（https://doi.org/10.1103/qrkk-l2ng）。南京大学现代工程与应用科学学院博士生王茂森、浩波、孙文杰为该论文的共同第一作者，聂越峰教授为论文的通讯作者。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。同时，南京大学固体微结构物理全国重点实验室、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室以及江苏省物理科学研究中心对该研究给予了重要支持。