近日,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶北京師范大學(xué)聶家財(cái)教授、劉海文教授團(tuán)隊(duì)利用SHMFF混合磁體、水冷磁體以及極低溫輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng),在無(wú)限層鎳酸鹽La0.8Sr0.2NiO2超導(dǎo)薄膜中發(fā)現(xiàn)了由量子格里菲斯奇異性(QGS)驅(qū)動(dòng)的各向異性上臨界場(chǎng),為理解鎳酸鹽超導(dǎo)體的非常規(guī)特性提供了新視角。相關(guān)成果以“Anisotropic Upper Critical Field beyond the Pauli Limit in a Nickelate Superconductor: Evidence for a Quantum Fluctuation-Driven State”為題發(fā)表于國(guó)際著名期刊Physical?Review?Letters,并被選為Editors’?Suggestion。
眾所周知,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)到將電子自旋極化到一個(gè)方向時(shí),自旋單態(tài)的超導(dǎo)配對(duì)模式就難以發(fā)生,經(jīng)驗(yàn)值為1.86Tc,也稱為泡利極限。具有超越泡利順磁極限上臨界場(chǎng)(Hc2)的超導(dǎo)體對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)和高場(chǎng)應(yīng)用都至關(guān)重要。無(wú)限層鎳氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn)為探索這一現(xiàn)象提供了一個(gè)新的舞臺(tái)。雖然早期關(guān)于Nd基鎳酸鹽的研究揭示了各向同性的Hc2,但隨后對(duì)La和Pr基鎳酸鹽的研究顯示,Hc2各向異性,并明顯違反了泡利極限。這種魯棒的、違反泡利極限的超導(dǎo)電性給傳統(tǒng)的理論提出了一個(gè)深刻的難題。
聶家財(cái)教授和劉海文教授團(tuán)隊(duì)此前已經(jīng)在各向同性超導(dǎo)體La0.8Sr0.2NiO2中觀察到QGS,其相關(guān)的量子漲落定量解釋了低溫Hc2的上升。因此,這一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一個(gè)核心問題,即QGS相是否也可以解釋其他鎳酸鹽中復(fù)雜的、各向異性的泡利極限違反。因此,研究鎳基超導(dǎo)體中各向異性的超導(dǎo)-金屬轉(zhuǎn)變(SMT),對(duì)于檢驗(yàn)QGS的普遍性以及確定它是否是解決鎳基超導(dǎo)泡利極限難題的關(guān)鍵至關(guān)重要。
基于此,該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)La0.8Sr0.2NiO2薄膜中進(jìn)行了系統(tǒng)研究,利用SHMFF混合磁體、水冷磁體和極低溫輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng),在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)(44 T)環(huán)境下首次發(fā)現(xiàn)了QGS導(dǎo)致的泡利極限違反,上臨界場(chǎng)Hc2在超低溫下有明顯的各向異性和異常的上升,表現(xiàn)出各向異性的SMT(圖1)。通過(guò)零溫附近的標(biāo)度分析表明,這種SMT的量子臨界點(diǎn)揭示了由淬滅無(wú)序引起的QGS,其特征是動(dòng)態(tài)臨界指數(shù)發(fā)散(圖2)。這些QGS誘導(dǎo)的量子漲落為異常的Hc2上升提供了起源,并揭示了泡利極限違反的關(guān)鍵內(nèi)在機(jī)制。該發(fā)現(xiàn)建立了一種微觀機(jī)制,其中重費(fèi)米子質(zhì)量重整化抑制了軌道對(duì)斷裂,使無(wú)序增強(qiáng)的量子漲落能夠保持遠(yuǎn)超泡利極限的超導(dǎo)電性。該研究結(jié)果有助于揭示該系統(tǒng)中非常規(guī)的超導(dǎo)機(jī)制,更為開發(fā)在強(qiáng)磁場(chǎng)下仍能工作的新型高溫超導(dǎo)材料提供了理論依據(jù)。
北京師范大學(xué)博士生王雪妍為論文第一作者,北京師范大學(xué)聶家財(cái)教授和劉海文教授為論文通訊作者。此項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專題等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/mmpn-gl8z

圖1. (a)垂直和(b)面內(nèi)磁場(chǎng)下的等磁Rs(T)曲線;(c)垂直和(d)面內(nèi)磁場(chǎng)下,不同電阻分?jǐn)?shù)下的上臨界場(chǎng)隨溫度的變化;(e)垂直和(f)面內(nèi)磁場(chǎng)下,歸一化上臨界場(chǎng)Hc2/Hp(泡利極限,Hp=1.86×Tcn%)隨溫度的變化。

圖2. (a)垂直和(b)面內(nèi)磁場(chǎng)下方塊電阻Rs與磁場(chǎng)B的關(guān)系曲線;(c)垂直和(d)面內(nèi)磁場(chǎng)下,有限尺寸標(biāo)度分析給出的臨界指數(shù)zν。紅色實(shí)線為基于激活標(biāo)度定律的擬合曲線,水平的虛線表示zν=1。