改进镍酸盐材料可以提高对高温超导性的认识

日本物理研究所的物理学家通过计算揭示了氧化镍材料中电子的行为,这可能有助于寻找高温超导体。

图1:电子(丁香)在穿过镍酸盐材料的NiO2层时会彼此强烈相互作用,这可以充当高温超导的模型(镍=灰色,氧=红色)。(图片由理研紧急物质科学中心的Mari Ishida制作。)图片来源:RIKEN新兴物质科学中心

常规的超导性取决于仅在极低温度下才会发生的电子对形式,因此必须使用昂贵的液化气体冷却超导器件。但是大约30年前,研究人员发现,某些铜酸盐材料可能会在相对较高的温度下(高达-140摄氏度)变成超导体。高温超导性的根本原因仍不清楚。

在2019年,研究人员发现掺锶的钕氧化镍(Nd 0.8 Sr 0.2 NiO 2)可能在-258摄氏度以下超导。这一发现引起了人们的注意,并不是因为温度高。

而是因为这种镍酸盐材料的晶体结构与铜酸盐非常相似,并且可以用作更好地了解这些材料中超导电性工作原理的试验台。

镍酸盐材料由Nd和NiO 2的交替层组成。现在,RIKEN新兴物质科学中心的野村裕介和他的同事研究了这两层中某些电子之间的相互作用如何影响超导性。

研究小组的计算表明,NiO 2 层中的电子彼此之间相互作用很强,这与铜酸盐相似,据认为铜酸盐在CuO 2层中的强相关性在其高温超导性中起关键作用。

但是,镍酸盐和铜酸盐之间存在差异:在镍酸盐中,钕层中的电子被部分占据并形成费米袋,费米袋是布里渊区中被费米表面围绕的相对较小的区域。这些口袋不会出现在铜酸盐中,这可能会使镍酸盐材料成为铜酸盐的不完美类似物。

野村(Nomura)的团队使用计算模型来研究是否可以通过调整材料的化学成分来消除凹坑,从而创建一种与铜酸盐更匹配的镍酸盐。

他们发现有两种化合物可以满足要求:钕氧化镍钠(NaNd 2 NiO 4)和钙氧化镍钠(NaCa 2 NiO 3)。野村指出:“如果提议的镍酸盐是合成的,它们将是铜酸盐超导体的真实镍类似物。”

他补充说:“下一步是以系统的方式阐明镍酸盐和铜酸盐之间的区别和相似性,并对这两种系统的超导机理有更深入的了解。”

文章来源:phys.org

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