The Innovation | 镍基超导体研究综述

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镍基超导时代已然拉开序幕，并有望成长为除铜基、铁基非常规高温超导体之外的第三大家族。但当前镍基超导材料的合成、基本物性的测量、各种谱学的观测都处于初级阶段，同时实验与理论方面仍存在诸多争议与疑惑。本文通过分析该领域的研究现状，尝试厘清当前存在的关键问题，希望为后续的研究突破打好基础。

图1 镍基超导体的结构与物性

图2列出了各类超导材料发现的时间表，人们最初发现的超导材料大多属于常规超导体，即这些材料的电子配对可以由简单的电-声相互作用图像来解释。同时，人们也一直在坚持探索配对方式和能隙函数与常规超导体不同的非常规超导体，包括重费米子超导体、有机超导体、铜氧化物超导体以及铁基超导体等。此外，近年来超高压下富氢化合物的超导临界温度记录不断逼近室温，备受领域内关注，但从机理上仍属于常规超导体，要想实用化还面临着极大的困难。铜氧化物和铁基超导体的超导临界温度可以达到40 K以上，相对常规金属合金超导体要高很多，故而被统一称为高温超导体。目前可以肯定的是，Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论框架下，简单的电子-声子相互作用图像很难解释高温超导体里的一系列奇异物性，特别是在如此高温度下，体系中电子为何仍然能够配对并相干凝聚成宏观量子态（超导态）。这也是当前凝聚态物理领域的一个重大科学前沿问题。

图2 超导材料发现的时间表

（摘自：罗会仟，高压室温超导电性的新进展，《中国科学：物理学 力学 天文学》2021年 第51卷 第11期: 117431）

高温超导机理研究要想取得突破，关键是要寻找到各材料体系中普适的规律，并提取其中关键物理因素。随着对铜基和铁基两大高温超导家族的深入研究，人们逐步获得了一些普遍的规律和共识，也有许多矛盾和困惑，目前仍需更多的材料体系来加以检验。我们或许要问，为何独有铜、铁可以形成高温超导，它们的邻居难道不能形成高温超导吗？实际上，人们已经探索非铜、铁基高温超导材料几十年，积累了许多经验，也在铬、锰、钒、钛等化合物中发现了超导电性，但是它们都不具有和高温超导类似的物理特征。2019年，超导领域迎来重要突破，美国斯坦福大学Hwang研究小组在位于铁、铜之间的镍元素所形成的氧化物Nd_1-xSr_xNiO₂薄膜中发现了9-15 K的超导电性，它似乎具有与铜氧化物超导体类似的3d⁹最外层电子轨道，这为非常规超导机理的研究提供了一个崭新的平台。有意思的是，上世纪80年代Bednorz和 Müller在探索铜氧化物高温超导电性的时候，就已经关注到了LaNiO₃与铜氧化物的异同。如今研究表明，镍基超导体在电子轨道、磁性涨落、电荷有序和配对对称性等多方面体现了和铜氧化物高温超导体的类似性和差异性，是高温超导机理研究的绝佳参照之一，因此科学界迅速掀起了对镍基超导体研究的热潮。

据不完全统计，2019 年至今在镍基超导领域已涌现出上百篇理论及实验文章，实验工作主要集中在镍基氧化物的合成、物性表征以及相关谱学测量；理论工作主要集中在电子结构、自旋结构、磁性激发以及可能的配对模型。笔者认为，由于镍基超导薄膜的合成难度较大，相关实验表征相对较少，实验与理论存在一定的脱节现象，使得该领域中存在一些疑问和争议，比如为何镍基薄膜超导而体材料不超导，如何确定体系的电子-电子关联强度，磁交换作用大小，自旋空间排布等问题。对于研究者来说，应该去认真思考该领域还存在哪些亟待解决的难题，并有针对性地开展后续研究。本文力求较为全面地展现该领域的研究现状，着重厘清关键问题，希望为该领域接下来的重大突破打下基础。

总结与展望

本文着重介绍镍基超导体在正常态下的电子结构、自旋结构、磁性激发等，以及超导态下的磁性物理、超导相图、能隙函数、相关配对模型等，力求较为全面地介绍该领域的研究现状。作者认为，提高镍基薄膜超导临界温度和薄膜质量，实现体超导是当前材料合成的关键问题。此外，在镍基超导体中探索是否存在多种有序相与超导竞争、反铁磁涨落与超导的关系以及超导的配对对称性等都是下一步需要关注的重点。总体上，镍基超导领域方兴未艾，正逐步成为研究非常规高温超导机理的一个全新且重要的平台。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00127-2

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第一期以Review发表的“Superconductivity in nickel based 112 systems” (投稿: 2021-09-15；接收: 2021-12-03；在线刊出: 2021-12-24)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100202

引用格式：Gu Q., Wen H. (2022). Superconductivity in nickel based 112 systems. The Innovation. 3(1),100202.

作者简介

顾强强，2021年在南京大学物理学院取得博士学位，目前在Cornell University物理学院从事博士后研究。研究兴趣包括高温超导体的配对对称性，高温超导机理，拓扑超导等。迄今，以第一作者在Nature Communications(两篇), Physics Review B,《物理学报》等发表论文四篇，以共同一作在Nature Physics, PNAS等发表论文两篇。

闻海虎，南京大学教授，博士生导师，南京大学超导物理和材料研究中心主任。2000年获得中国青年科技奖，2004年获得国家自然科学二等奖（第一完成人），2009年获得香港求是杰出成就集体奖，2010年获得华人物理学会亚洲成就奖，2013年获得国家自然科学奖一等奖（第四完成人），科技部目标导向性超导973项目和国家重点专项量子调控项目首席科学家。

Web: https://sc.nju.edu.cn.

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