南京大学南京大学闻海虎、杨欢团队在镍基超导机理研究中取得重要进展

近日，南京大学物理学院闻海虎、杨欢教授团队首次对常压下具有超导性的双层镍氧化物La₂PrNi₂O₇薄膜进行了单粒子隧道谱研究，取得重要进展。实验观测到能量为19 meV的主导超导大能隙和约6-8 meV的小能隙。谱线拟合结果显示，该超导大能隙具有低各向异性的s波特征。同时，实验还观测到与超导态密切相关的高能玻色模结构，支持能隙变号行为。上述结果共同指向s^±的超导配对图像。

镍基超导体是近年来非常规高温超导研究的重要前沿方向。此前，闻海虎团队率先对镍基第一个超导材料无限层Nd_1–xSr_xNiO₂超导薄膜开展了隧道谱研究，观测到d波主导的超导能隙【Nat. Commun. 11, 6027 (2020)】，该结果为理解镍基超导机理提供了关键实验依据。随后，人们在双层镍基氧化物材料（La₃Ni₂O₇）中，高压下发现了转变温度超过液氮温度的高温超导电性，进一步将镍基超导研究推向凝聚态物理研究的高潮。针对其高温超导机制，理论研究表明可能存在两种不同的配对对称性，即层间配对主导的s^±波和面内配对主导的d波配对形式。但是，原来块材样品只有在高压条件下超导，其谱学实验很难进行，难以对理论预测进行明确验证。最近，在该双层镍基薄膜中常压发现超导，为在常压环境下深入探究镍基高温超导的微观机理提供了重要的材料平台。

图1. RP相镍基La₂PrNi₂O₇超导薄膜中测量的隧道谱。(a) 针尖修饰法获得的不同超导层，其中两层薄膜（Layer 1、2）高度均为1单元厚度（约2 nm）；(b) 在超导较好的内层薄膜上测量到的隧道谱。(c) 和b图对应的二阶微分电导曲线，能够清晰的看到两个能隙结构。

研究团队成功制备了常压超导的 La₂PrNi₂O₇ 薄膜，电阻测量其超导起始转变温度为41.5 K。由于薄膜表面在暴露于空气后发生了污染和退化，无法直接在薄膜表面测量到高质量的隧道谱。为此，研究团队采用独创的针尖修饰技术，局域去除表面退化层，暴露出超导电性较好的超导内层（图1a），并开展了隧道谱测量。研究团队在0.4 K温度下获得了清晰的超导隧道谱（图1b），谱线在±19 mV偏压附近呈现出清晰的超导相干峰，同时在±6–8 mV附近存在拐点，该小能量尺度在电导二阶微分曲线中能更清晰地发现（图1c）。这表示通过针尖修饰技术能够观测到质量较好的超导隧道谱，谱线表明该体系中可能存在双能隙结构。同时，在超导能隙外±49 mV处发现宽峰结构。

图2. La₂PrNi₂O₇薄膜超导隧道谱随温度的变化以及超导能隙分析。

通过变温实验（图2a），可以发现隧道谱上大能隙对应的相干峰特征随着温度升高逐渐减弱，在超导临界温度附近彻底消失。同时，高能的宽峰结构也随着温度的升高减弱并逐渐消失，证明宽峰和超导的密切关系。通过对最低温度0.4 K下测量的隧道谱进行双能隙的Dynes模型拟合发现，大能隙是d波时无法拟合测量曲线（图2d），而只有大能隙是各向异性的s波时才能较好地拟合实验数据（图2b,c），且各向异性度只有百分之20左右。但是拟合无法确定小能隙是否有能隙节点，基于对称性考虑一般不会同时存在s波和d波的超导电性，而大能隙结构决定着超导序参量的对称性，因此本实验结果支持双层镍基超导薄膜的超导配对对称性是s^±配对。结合理论，进一步确定该双层镍基高温超导主要由层间相互作用驱动配对，再结合面内的电子巡游性形成超导。本实验还观察到与超导密切相关的高能宽峰，可能对应超导玻色模。类比团队前期在铁基高温超导中玻色模能量的确定方法【Nat. Phys. 9, 42 (2013)】，得到玻色模能量约为30 meV，该能量尺度与大能隙的比值也符合集体激发模的特征。非常规超导体中的玻色模可能是超导能隙符号变号的直接结果，因此玻色模的发现也支持了材料中能隙符号反转的s^±配对形式。本实验是对双层镍基超导薄膜超导能隙的首次隧道谱探测，其结果对于理解双层镍基系统中的超导电性有重要促进作用。

相关成果近期以 “Single-particle tunneling spectrum with a robust superconducting gap in La₂PrNi₂O₇ thin films at ambient pressure” 为题发表于 Science Advances [Sci. Adv. 12, eaeg2429 (2026)]。南京大学物理学院范圣泰博士和欧梦军博士为论文共同第一作者，南京大学物理学院闻海虎教授、杨欢教授和德国鲁尔大学Ilya M. Eremin教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、固体微结构物理全国重点实验室、2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心” 的支持，在此表示感谢。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg2429