文章导读
双层镍氧化物的超导机制为何迟迟难有共识？关键争议在于Ni-3dz2轨道主导的γ能带是否穿越费米能级，以及超导能隙是否存在节点。南京大学等团队结合氧化物分子束外延与同步辐射角分辨光电子能谱，在Sr掺杂La3Ni2O7薄膜中发现，费米面主要由Ni-3dx2−y2轨道主导，γ能带顶位于费米能级以下约75 meV；超导转变温度以下还出现约2 meV且无节点的前沿能隙。这些动量分辨证据，将如何重塑对其非常规配对机制的理解？
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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、周健教授与中国科学技术大学沈大伟教授、合肥国家实验室封东来教授团队合作，在双层镍氧化物超导体的电子结构与超导能隙研究方面取得重要进展。研究团队结合氧化物分子束外延（OMBE）和同步辐射角分辨光电子能谱（ARPES）技术，在双层镍氧化物超导薄膜中观测到由3dx2−y2轨道主导的费米面结构以及无节点的超导能隙，为理解该体系的超导配对机制提供了重要的动量分辨谱学证据。
近年来，双层Ruddlesden–Popper（RP）结构镍氧化物La3Ni2O7中高温超导电性的发现，为探索非常规高温超导机制提供了新的材料平台。不同于铜基超导体中单带3dx2−y2轨道主导的物理图像，双层镍氧化物的低能电子结构呈现复杂的多轨道特性。当前研究的焦点集中在两个相互关联的层面：一是Ni-3dz2轨道主导的γ能带是否穿过费米能级，及其在超导配对中的实质作用；二是超导能隙函数的对称性仍存在争议。上述问题的澄清对理解镍基超导的微观机理至关重要，但由于样品的应变状态、氧含量和载流子浓度等均可能显著影响电子结构，已有研究尚未形成共识。
图1 | (a) Sr掺杂La3Ni2O7超导薄膜的电阻率随温度变化曲线；（b-d）不同光子能量下测得的费米面结构；(f-g)超导能隙结构示意图
针对这一问题，研究团队采用OMBE技术，在SrLaAlO4衬底上制备了高质量Sr掺杂La3Ni2O7超导薄膜，并通过低气压原位臭氧退火，在调控薄膜氧含量的同时保证了样品的高表面质量。所获得的薄膜表现出约37 K的超导起始转变温度和约20 K的零电阻温度（图1（a）），具有完好的RP双层结构和原子级平整表面，为开展表面敏感的ARPES测量提供了重要基础。
ARPES测试结果表明，费米能级附近主要由Ni-3dx2−y2轨道主导的α和β能带构成（图1（b-e）），且其均表现出中等强度的电子关联效应。相比之下，Ni-3dz2轨道主导的γ能带并未穿过费米能级，其带顶位于费米能级以下约75 meV。这一结果表明，费米面附近的低能电子结构主要由Ni 3dx2−y2轨道贡献。
进一步的变温ARPES测量结果显示，当温度降低至超导转变温度以下时，α和β能带费米动量附近的谱权重均受到明显抑制，并出现约2 meV的前沿能隙；随着温度升高至超导转变温度以上，该能隙逐渐关闭，表明其与超导能隙密切相关。值得关注的是，沿着布里渊区对角线方向同样观测到能隙，未发现零能隙节点（图1（f-g））。该结果为理解双层镍氧化物的非常规配对机制提供了重要实验依据。
相关成果以“Observation of superconductivity-induced leading-edge gap in a bilayer nickelate”为题，发表在Nature Physics期刊（DOI: 10.1038/s41567-026-03396-z）。该研究由南京大学、中国科学技术大学、合肥国家实验室、香港理工大学和上海光源等单位合作完成。南京大学现代工程与应用科学学院博士后研究员孙文杰、博士生浩波，以及中国科学技术大学博士后研究员江志诚为论文共同第一作者；南京大学聂越峰教授、周健教授，以及中国科学技术大学沈大伟教授、合肥国家实验室封东来教授为论文共同通讯作者。上海光源的刘正太副研究员，南京大学的季殿祥副教授、孙浩滢副教授和顾正彬副教授也做了重要贡献。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、新基石科学基金会以及国家科技重大专项等项目的支持。南京大学固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、江苏省物理科学研究中心以及上海同步辐射光源等平台为该研究提供了重要支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03396-z
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