由中国科学技术大学与南方科技大学联合组成的研究团队，近日在镍基高温超导领域取得关键突破：利用高分辨率激光角分辨光电子能谱，首次在Ruddlesden-Popper相（RP相）双层镍氧化物高温超导薄膜中直接观测到无节点超导能隙，并同时发现电子-玻色子耦合现象的明确证据。相关研究论文于北京时间5月22日凌晨在线发表于国际顶级学术期刊《科学》上，论文由南方科技大学薛其坤院士与中国科学技术大学何俊峰教授、南方科技大学陈卓昱副教授共同担任通信作者。
自1911年超导现象被发现以来，探索高温超导材料、理解其形成机理始终是凝聚态物理领域的核心命题。传统超导体由于超导转变温度极低，其应用受到严重限制。过去一个世纪中，科学家相继发现了铜基和铁基高温超导材料，然而其内在机理历经数十年探索仍未完全破解。近年来，镍基高温超导材料的出现为解决这一“世纪难题”带来了全新的契机，率先获得镍基高温超导机制的关键实验证据也因此成为全球科学家竞争的最前沿。
超导的根本在于电子两两配对、协同运动。然而电子为何能够克服库仑排斥实现配对、以何种对称性配对，至今仍是物理学最大的谜题之一。此次中国团队的研究正是围绕这两个核心问题展开：一是超导能隙的对称性，二是电子配对的驱动机制。这两个问题的回答，对于理解高温超导的物理起源至关重要。
无节点超导能隙的直接观测
超导能隙是指电子配对所节省的能量，其对称性反映了配对状态的角动量结构，如同电子配对的“舞姿”。传统超导体中能隙在所有方向上均不为零，对应s波对称性，犹如圆舞曲；而铜基高温超导体则在某些特定方向上能隙为零，出现所谓的“节点”，对应d波对称性，如同探戈。能隙是否存在节点，成为判别高温超导配对机制来源的关键判据。
研究团队利用具有超高能量和动量分辨率的激光角分辨光电子能谱（ARPES），对RP相双层镍氧化物薄膜的电子结构进行了全面测量。结果表明，在整个动量空间（布里渊区）中均未发现能隙节点的存在。该特征与d波节点能隙截然不同，而与铁基超导体中常见的s±波对称性更为吻合。这是首次在RP相双层镍基高温超导薄膜中通过实验直接确认其超导能隙无节点，证明镍基与铜基的高温超导配对机制并非完全一脉相承，两种材料体系可能存在本质差异。
电子-玻色子耦合的发现
电子配对的驱动力是高温超导机理的核心谜团。电子之间带同种电荷、相互排斥，理论上有两种可能的配对途径：一种是不需要中间媒介，电子在特殊关联环境中自行配对；另一种则需要某种玻色子作为“中间人”传递有效吸引力，即电子-玻色子耦合机制。
研究团队在分析电子能带色散时，于费米能级以下约70 meV（毫电子伏特）处观测到明显的“能带扭折”——原本平滑的电子能量-动量曲线在此出现拐点。这种扭折正是电子与某种玻色子发生耦合相互作用的标志性“指纹”信号。进一步的定量分析确认了电子-玻色子耦合的存在。值得注意的是，类似的能带扭折信号在铜基高温超导体中同样被观测到，这表明电子-玻色子耦合在高温超导体系中可能存在普适性，强烈提示镍基材料中的电子配对同样可能由某种玻色子媒介驱动。确认该玻色子的具体身份（如磁振子、声子或其他集体激发），将是未来阐明高温超导机理的关键一步。
系统性的技术攻关体系
本次突破的实现，离不开前期的技术积累与协同创新。在前期研究中，南方科技大学薛其坤-陈卓昱团队已发展出“强氧化原子逐层外延”技术，攻克了复杂氧化物原子级精确制备的难题，并成功在镍氧化物薄膜中实现了常压高温超导，从而为后续的电子结构探测提供了高质量的材料窗口。
针对镍氧化物薄膜在常规条件下容易失去氧原子进而丧失超导能力的关键技术“卡点”，中国科学技术大学团队牵头，联合南方科技大学团队，自主研制了基于液氮的超高真空低温淬火及样品传输新系统。这一系统实现了样品从制备地（深圳）到测量地（合肥）的“超高真空全冷链”无损运输，确保了薄膜超导性能的完整性。最终，研究团队运用中国科学技术大学自行研制的高分辨率激光角分辨光电子能谱仪，并结合上海同步辐射光源，完成了对高温超导薄膜样品高精度、高灵敏度的电子结构测量。
该项系统性成果与此前在材料制备、超导温度提升等环节的系列突破相互支撑，形成了从“首创新技术”到“发现超导材料”、再到“解密物理机制”的全链条创新格局。这一格局体现了中国团队在镍基超导研究领域全方位、系统化的攻关能力。
此项研究为理解“超导能隙对称性”和“超导配对机制”这两大高温超导的核心问题提供了关键实验证据，对深入认识高温超导机理具有重要的科学意义，同时也为超导技术的实际应用奠定了更具针对性的实验基础。研究团队表示，他们已经通过这些“指纹”信号找到了玻色子媒介存在的痕迹，下一步将集中力量确认充当配对媒介的玻色子具体是哪一种，这可能是最终解开高温超导机理之谜的关键所在。
本文参考来源：IT之家
