Nat. Phys.:南京大学聂越峰团队在双层镍酸盐中观测到超导诱导的前沿能隙

前言 近日，由南京大学聂越峰教授、中国科学技术大学封东来教授与上海同步辐射光源沈大伟研究员团队联合主导，在双层镍酸盐超导薄膜的电子结构研究中取得重要突破。该团队利用原位角分辨光电子能谱技术，对Sr掺杂的La₃Ni₂O₇₋δ超导薄膜进行了系统的电子结构表征。实验首次在双层镍酸盐中观测到超导诱导的前沿能隙：费米面由Ni-3dx²-y²轨道主导的α和β两个费米口袋构成，两带均表现出3-4倍的能带重整化，且γ带位于费米能级以下约75 meV。更重要的是，在超导转变温度以下，两个能带均在费米动量处观测到约1-2 meV的前沿能隙，其动量依赖偏离了铜氧化物中传统的d波能隙结构。

1研究概要

双层镍酸盐La₃Ni₂O₇在高压下具有约80 K的超导转变温度，但常压下不超导。该团队通过氧化物分子束外延技术在SrLaAlO₄衬底上生长了高质量Sr掺杂La₂.₇₉Sr₀.₂₁Ni₂O₇₋δ薄膜（厚度2个晶胞），并经原位臭氧退火优化超导性能，薄膜呈现约36-37 K的超导转变温度。ARPES测量在7 K下揭示了清晰的费米面结构：由Ni-3dx²-y²轨道形成的α（电子型，Γ点附近）和β（空穴型，布里渊区角）两个费米口袋。Luttinger定理分析给出每个Ni的轨道填充约为0.45个电子，略高于非超导单晶样品。与DFT计算相比，α和β带表现出3-4倍的重整化，略大于单晶中的值，表明薄膜中电子关联增强。γ带的顶端位于费米能级以下约75 meV，比非超导单晶中更深。

温度依赖的ARPES测量表明，当温度降至超导转变温度以下时，α和β带在费米动量处的能量分布曲线前沿均发生约1-2 meV的偏移，并在对称化谱中观察到费米能级处谱权重的耗尽。该行为与超导转变温度一致（约40 K），表明其源于超导能隙的打开。拟合得到的能隙大小约为2 meV，对应的2Δ/kBTc值较小，可能与薄膜中的无序效应有关。值得注意的是，能隙在布里渊区对角方向及偏离对角方向均被观测到，且沿不同动量方向量级相近，偏离了铜氧化物d波能隙在节点方向应消失的预期，表明双层镍酸盐中3dz²轨道可能通过自旋涨落或Hund耦合参与了超导配对。

2研究亮点

3图文解析

 图1.薄膜结构与输运表征。

图2.费米面拓扑。

图3.能带色散与重整化。

图4.前沿能隙的温度依赖。

图5.对角方向的前沿能隙。

4编者话

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