研究发现双层镍基高温超导体中新的配对机理

自铜氧化物高温超导体发现以来，探索非常规超导机理是凝聚态物理领域的核心课题之一。继铜基、铁基高温超导体后，2023年中国科学家在Ruddlesden-Popper相的双层镍氧化物La₃Ni₂O₇中观测到在高压下接近80K的超导转变温度，将镍基超导体的临界温度（Tc）推进至液氮温区。近期，在特定衬底上的双层镍氧化物薄膜中也实现了常压下约40K的超导转变。这一系列进展标志着高温超导研究迈入“镍基时代”。尽管已有大量理论工作从纯电子-电子相互作用的角度探讨双层镍基超导体的配对机制，但晶格自由度特别是电子-声子耦合在该体系中的作用尚未被充分认识。特别是，在双层结构中，电子-声子耦合的特征及其对超导性质的影响，仍是亟待解答的关键问题。

近日，中国科学院理论物理研究所与物理研究所合作，利用理论模型和泛函重整化群（FRG）量子多体方法，研究了双层镍基超导体中电子-声子耦合的特性及其与电子关联之间的相互作用对超导配对的影响。研究通过理论计算获得体系的声子谱及电声子耦合谱，发现其中三个声子的线宽具有明显增强，表明存在较强的电子-声子耦合。这些耦合对应的声子模式呈现出层间与面内呼吸型振动特征。但是，研究显示，通过谱函数估算的耦合强度对应的Tc近似为零，表明单独的电子-声子耦合难以驱动超导。值得注意的是，与铜基高温超导体不同，双层镍基超导体具有两个独特的层间呼吸声子模式，会产生轨道选择性的SSH型和Holstein型电声子耦合。这些电声子耦合与电子关联之间的相互作用仍需进一步探索。

进一步，该研究利用两轨道模型和FRG方法，分析了电子-声子耦合与电子-电子相互作用的协同效应。结果表明，当系统仅包含电子相互作用时，主要由自旋涨落驱动形成的层间s±波超导配对在能带空间存在配对阻挫，具体表现为在态密度较大的γ费米面上配对强度较弱，进而限制了Tc提升。研究发现，当引入层间SSH型或Holstein型电子-声子耦合后，dz²轨道的层间配对得到增强，减弱了γ费米面上的配对阻挫，导致Tc提升。相比之下，面内的电子-声子耦合对Tc的提升则几乎无影响，这一特征与铜基高温超导体明显不同。

上述研究揭示了电子-声子耦合在双层镍基超导体中通过与电子-电子相互作用的协同效应来增强超导配对。这为理解双层镍基超导体中的高温超导提供了新视角和潜在的理论机制。

相关研究成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院相关项目的支持。

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