镍基薄膜材料如何实现零电阻导电

本研究聚焦于Ruddlesden–Popper型镍氧化物（简称镍酸盐），这类材料是探索高温超导机制的重要平台。过去虽已发现双层结构（2222型，如La₃Ni₂O₇）在常压下可超导，但决定超导发生的电子结构条件——尤其是费米面拓扑特征——一直不清楚。本文取得三项关键进展：第一，成功制备出三种全新原子级精度设计的镍酸盐薄膜超结构——单层-双层（1212）、双层-三层（2323）以及作为对照的单层-三层（1313）——全部在相同压缩应变条件下生长；第二，实验证实1212和2323薄膜在常压下均呈现超导电性，超导起始温度达46–50 K，显著高于麦克米兰极限（McMillan limit），表明其属非常规超导；而结构看似更复杂的1313薄膜却完全不超导，这一对比凸显了结构细微差异对超导的决定性影响；第三，利用角分辨光电子能谱（ARPES）深入解析电子结构，发现超导出现与否与特定能带行为直接相关：在超导的1212和2222薄膜中，一条具有色散性的空穴型能带（记为γⅡ）在布里渊区角附近与费米能级相交，形成一个闭合的‘费米口袋’，这是超导电子配对的重要基础；而在非超导的1313薄膜中，另一条平带（γⅢ）的顶端却深埋在费米能级下方约70 meV处，无法参与导电；尤为关键的是，超导的2323薄膜同时具备γⅡ和γⅢ两条能带，说明γⅡ的存在是必要条件，而γⅢ的存在并不妨碍超导。进一步的偏振依赖测量证实，这些γ能带源于镍原子的d_z²轨道，明确了其物理起源。综上，该工作不仅将常压镍基超导体家族扩展至新成员，更重要的是首次在原子尺度上建立起‘晶体结构—电子能带构型—超导发生’之间的清晰因果链条，为理解高温超导机理提供了关键实验依据。