近日,穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心聯(lián)合上海前瞻物質科學研究院、復旦大學等團隊,依托SHMFF所屬水冷磁體WM5,結合強磁場與高壓等極端條件,首次繪制了加壓三層鎳酸鹽La4Ni3O10-δ單晶上臨界磁場的全溫區(qū)相圖,揭示其近各向同性的上臨界磁場,為理解鎳酸鹽高溫超導配對機制提供關鍵實驗依據(jù)。相關成果以“Nearly isotropic upper critical field in pressurized trilayer nickelate?La4Ni3O10-δ”為題發(fā)表于美國物理學會期刊?Physical Review X。
自雙層Ruddlesden–Popper鎳酸鹽La3Ni2O7-δ在高壓下被發(fā)現(xiàn)具有近80 K的超導溫度以來,三層同體系La4Ni3O10-δ單晶在壓力下也被證實存在體超導性(Tc≈20 K)。上臨界磁場(μ0Hc2)作為超導體的基本參數(shù)之一,對理解超導配對機制至關重要。然而,要完整測量RP鎳酸鹽的上臨界磁場并表征其各向異性,在技術上極具挑戰(zhàn):不僅需要施加超過50 GPa的靜水壓以維持體超導相,還需要使用30 T以上的強磁場以完全抑制超導,且二者必須在低溫條件下同時實現(xiàn)。此外,由于水冷磁體的內部空間有限,傳統(tǒng)技術無法實現(xiàn)高壓腔在強磁場中的原位旋轉,而這恰恰是測量上臨界場各向異性的關鍵所在。
????針對上述挑戰(zhàn),研究團隊集中攻關、協(xié)同合作,依托水冷磁體WM5,成功設計了一套原位轉角電輸運測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在50 GPa高壓與35 T強磁場相結合的綜合極端條件下,實現(xiàn)樣品的高精度原位旋轉。利用這一技術,團隊成功測量了三層RP鎳酸鹽La4Ni3O10-δ在不同磁場方向上的上臨界磁場。研究發(fā)現(xiàn),該材料的上臨界磁場在全溫度范圍內均表現(xiàn)出顯著的近各向同性特征。這一特性與傳統(tǒng)層狀超導材料的各向異性行為形成鮮明對比。通過雙帶模型分析,團隊揭示出該超導特性源于
和
兩個軌道能帶的貢獻:二者的擴散率各向異性相反,相互補償,從而整體呈現(xiàn)近各向同性。該研究不僅為理解多軌道參與的超導配對機制提供了直接而關鍵的實驗依據(jù),也為深入探索鎳酸鹽高溫超導的微觀本質、推動該領域取得新突破提供了全新方向。此外,本研究建立了在強磁場?(35 T)-高壓?(50 GPa)-低溫?(1.8 K)下開展角度依賴輸運測試的實驗能力,為在極端壓力與強磁場聯(lián)合作用下探索量子材料提供了重要手段。
上海前瞻物質科學研究院/北京高壓科學研究中心(上海分中心)彭帝研究員、強磁場科學中心研究生卞耀龍、北京高壓科學研究中心(上海分中心)研究生邢貞芳、復旦大學研究生陳力行為論文共同第一作者,強磁場科學中心張警蕾研究員、上海前瞻物質科學研究院/北京高壓科學研究中心(上海分中心)曾橋石研究員、復旦大學趙俊教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院建制化科研平臺等項目的支持。
論文鏈接:https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/h5sv-dzd1

圖1. 三層鎳酸鹽La4Ni3O10-δ強磁場下兩個方向的超導上臨界場相圖

圖2. 轉角桿實物圖及DAC壓力包示意圖