发现一只“看不见的手”！电子科技大学镍基超导研究获新突破

据位于四川成都的电子科技大学消息，3月2日，该校物理学院乔梁教授团队在超导新材料研究领域取得重大突破，为镍基超导领域的发展开辟了崭新的思路。该研究结果在线发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上。

电子科技大学物理学院乔梁教授团队在超导新材料研究领域取得突破，相关论文在线发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上。

研究人员首次发现，镍基超导体——无限层镍氧化物超导体——之所以拥有超导电性的关键性元素是氢（H）。氢元素就像一只“看不见的手” ，在无限层结构镍基氧化外延单晶薄膜的制备过程中，起到改变费米面电子结构的作用。

此外，研究人员还首次通过实验观察到奇异电子态（间隙位s轨道）。

研究人员首次发现，镍基超导体之所以拥有超导电性的关键性元素是氢。

3月2日，前述论文的通讯作者之一、电子科技大学物理学院教授乔梁向澎湃科技表示，这是镍基超导领域的第二篇《自然》期刊论文。上一篇这样的论文，是4年前、2019年美国斯坦福大学发现镍基超导材料，把这种材料从无到有制造出来了。但这个领域的发展一直比较困难，因为不知道为什么它可以超导，以及其他课题组做出的类似样品为什么不超导。目前全世界只有很少几个课题组可以做出镍基超导样品来。

乔梁告诉澎湃新闻，“我们这是一个基础研究”，比较革命性，首次通过实验发现了氢的存在，发现氢对镍基超导很重要，并从实验和原理层面解释了氢对超导的贡献，同时告诉大家，之前的很多相关论文以及理论都不完全准确，因为之前完全没有考虑到氢的存在和作用，所以，这个研究成果可以从源头上加深我们对超导的理解。

乔梁表示，虽然我们目前发现了为什么之前这个材料不太好制备的原因，可以有效推进镍基超导领域的研究，但如何非常方便、非常简单、有效、精准地调控氢的掺入，还有很多问题要解决。

乔梁解释说，他们研究发现，镍基材料中的氢一方面“杀死”间隙位s轨道，超导就出现；但是当氢再多一点，掺杂效应就出来了，“过犹不及”。

由于大量超导材料的研究都要在超低温环境下进行，乔梁向澎湃科技表示，希望有机会在太空的天然超低温环境下开展相关研究，并测试相关材料的应用。

对于无限层镍氧化物超导体中的“无限层”，乔梁表示，通过化学的方法，这种材料中特定结构位置的氧原子被夺走，无限层”可以被理解成二维平面结构的材料，只有X轴和Y轴。

（a）RIXS实验观测到的IIS轨道激发；（b）DFT理论计算的IIS轨道；（c）IIS轨道与Ni3dx2-y2、Ni3dz2、Nd5dz2、O2p等轨道的杂化示意图。

据介绍，镍基超导研究是当前凝聚态物理的前沿领域，对于揭示高温超导的本征物理机制和新一代超导技术的发展具有重要推动作用。

自2019年美国斯坦福大学Hwang教授课题组率先在基于无限层结构的镍氧化物外延薄膜（Nd0.8Sr0.2NiO2）中发现了超导电性以来，镍基超导领域的发展并不顺利。虽然镍基超导的一些新现象相继被报道，但其超导的起源之谜和样品制备难度大、不同课题组间的重现性差，成为困扰该领域的两大难题，制约着镍基超导领域的发展。

一般来说，物理规律是客观存在的。当不同科学家的课题组制备的材料样品频繁出现“性能不能重现”的问题时，第一直觉就是材料内部可能存在着不为人知的“隐变量”，从而“悄悄”改变了制备出的材料的物理性能。

乔梁团队通过系统深入的研究，利用极高元素敏感性的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）发现镍基超导外延薄膜中存在大量的氢元素。

氢元素对无限层镍氧化物超导电性是否有影响呢？该团队通过极低温强磁场输运性质研究发现，在Sr含量不变的情况下，通过调控H元素的含量，可以实现“弱绝缘→超导→弱绝缘”的连续相变，说明H元素的确对超导电性的出现有关键的作用。进一步，这些结果可以解释为什么镍基超导外延薄膜的生长如此困难，在世界范围内仅有少数课题组可以成功制备零电阻超导样品，而且样品重复性差。主要原因就是之前不同课题组的实验，有可能没有考虑到H元素的存在对超导的影响，没有精确控制样品的H含量。

为了进一步理解H元素究竟是怎样影响镍基材料超导电性的，并揭示其微观机制，该团队通过基于同步辐射的共振X射线非弹性散射（RIXS）技术和电子结构计算研究了镍基超导体费米面附近的电子结构，首次在实验上观察到了奇异电子态，即巡游的间隙位s轨道（IIS），并结合理论发现H元素与IIS轨道的杂化，有利于降低Ni3d-Nd5d和Ni3d-IIS的轨道耦合，促进超导态的出现。

这表明，氢元素就像一只“看不见的手”，在无限层结构镍基氧化外延单晶薄膜的制备过程中悄悄地起到改变费米面电子结构的作用，并在镍基材料超导电性的产生过程中扮演着关键性的角色。该研究结果纠正了我们对该类材料电子结构的认识，为理解镍基超导的物理起源提供了关键信息，也为未来的深入理解镍基超导的相关物理和材料性能，提供了准确的物理模型。

作为自然界最简单的、元素周期表排名第一的元素，氢原子具有最小的原子半径和原子质量，因此氢与常规探测媒介（光子、电子等）相互作用弱、散射截面小，导致其很难被探测到。

在科学历史上，氢元素曾经制造过几起著名的“悬疑事件”。典型的例子之一就是基于GaN的蓝光二极管（LED）的故事。早在上世纪80年代，制造蓝光LED的主要技术限制是缺乏稳定且有效的P型GaN。在实验科学家们通过技术途径在Mg掺杂的GaN中实现了P型导电和蓝光LED后若干年，理论科学家才揭开了这个谜团：一方面，氢通过形成MgGa-H“缺陷对”，有助于稳定P型掺杂GaN的晶格结构；另一方面，氢离子的介入“暗中”补偿了MgGa缺陷诱导的空穴掺杂效果，导致P型掺杂的GaN不导电。而发现“隐藏的”氢元素、并进一步克服氢元素带来的问题，成为成功实现蓝光LED 产业化的关键，也带我们进入了当今五彩缤纷的LED时代。

电子科技大学物理学院为前述最新发表的论文的第一完成单位。电子科技大学乔梁、英国Diamond光源周克瑾、北京计算科学研究中心黄兵等为论文的共同通讯作者。该研究还得到了来自成都大学、北京大学和澳大利亚新南威尔士大学等课题组的鼎力支持。