近日,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶香港城市大學(xué)李丹楓副教授團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)薛其坤院士、陳卓昱副教授等團(tuán)隊(duì)合作,利用SHMFF混合磁體極低溫電輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng),在銪(Eu)摻雜的無(wú)限層鎳氧化物薄膜(Sm0.95-xCa0.05EuxNiO2)中,首次觀測(cè)到由強(qiáng)磁場(chǎng)誘導(dǎo)的重入超導(dǎo)(Re-entrant superconductivity)現(xiàn)象,為探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物中的非常規(guī)配對(duì)機(jī)制提供了全新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。相關(guān)成果以“Field re-entrant superconductivity in Eu-doped infinite-layer nickelates”為題,采用加速預(yù)覽(Accelerated Article Preview)形式在線發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)。
在凝聚態(tài)物理中,外加磁場(chǎng)通常會(huì)通過(guò)軌道效應(yīng)和泡利順磁效應(yīng)破壞超導(dǎo)電子對(duì),進(jìn)而抑制超導(dǎo)電性。然而,在含有局域磁矩的極少數(shù)重費(fèi)米子等關(guān)聯(lián)體系中,強(qiáng)磁場(chǎng)可誘導(dǎo)已被抑制的超導(dǎo)相重新出現(xiàn),即發(fā)生“重入超導(dǎo)”現(xiàn)象。探索局域磁矩與巡游電子的相互作用,是理解非常規(guī)超導(dǎo)物理機(jī)制的重要途徑。
此前,聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)依托SHMFF在Sm基無(wú)限層鎳氧化物的物性調(diào)控方面已取得重要進(jìn)展,相關(guān)成果發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。前期研究表明,通過(guò)優(yōu)化Sm基無(wú)限層鎳氧化物超導(dǎo)薄膜的制備,可獲得較小的c軸晶格常數(shù),并將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提升至32.5 K,同時(shí)揭示了體系特有的二維與三維混合超導(dǎo)維度特征。此外,研究發(fā)現(xiàn)引入具備大局域磁矩的Eu離子后,不僅促使超導(dǎo)電性向三維演化,還在正常態(tài)引發(fā)了明顯的負(fù)磁阻效應(yīng)。這一現(xiàn)象證實(shí)了Eu離子的局域磁矩與Ni 3d巡游電子之間存在顯著耦合,為進(jìn)一步探究極端磁場(chǎng)條件下的物態(tài)演化奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
在此次研究中,團(tuán)隊(duì)通過(guò)精細(xì)調(diào)控Eu的摻雜濃度,在過(guò)摻雜區(qū)域的薄膜樣品中觀測(cè)到了反常的磁電阻輸運(yùn)行為。利用SHMFF的混合磁體提供的45 T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)與極低溫測(cè)試環(huán)境,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著外加磁場(chǎng)增強(qiáng),樣品的初始低場(chǎng)超導(dǎo)態(tài)首先被抑制并進(jìn)入正常態(tài);當(dāng)磁場(chǎng)繼續(xù)增加至特定臨界值時(shí),系統(tǒng)發(fā)生了“超導(dǎo)—正常態(tài)—超導(dǎo)”的轉(zhuǎn)變,重新進(jìn)入零電阻態(tài)(圖1)。結(jié)合強(qiáng)磁場(chǎng)下的互感測(cè)量,研究人員清晰觀測(cè)到了強(qiáng)磁場(chǎng)下抗磁屏蔽響應(yīng),實(shí)驗(yàn)確證了高場(chǎng)重入超導(dǎo)相的客觀存在。這是首次在具有較高轉(zhuǎn)變溫度的無(wú)限層鎳氧化物體系中觀測(cè)到重入超導(dǎo)現(xiàn)象,將無(wú)限層鎳氧化物打造為融合高溫超導(dǎo)與重費(fèi)米子超導(dǎo)概念的獨(dú)特材料體系,為強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中新奇量子物態(tài)的設(shè)計(jì)與調(diào)控開(kāi)辟全新路徑。
進(jìn)一步的連續(xù)變角磁電阻測(cè)試顯示,該體系的高場(chǎng)重入超導(dǎo)相表現(xiàn)出顯著的角度穩(wěn)定性,在磁場(chǎng)方向偏離薄膜法線0°至90°的完整區(qū)間內(nèi)均能穩(wěn)定存在。特別是在高摻雜濃度下,高場(chǎng)超導(dǎo)態(tài)較初始低場(chǎng)超導(dǎo)態(tài)更為穩(wěn)固(圖2)。這一寬角度特征表明,基于內(nèi)部交換磁場(chǎng)抵消外加磁場(chǎng)的經(jīng)典Jaccarino-Peter(J-P)補(bǔ)償機(jī)制已不足以完全解釋其物理圖像,暗示體系中可能存在由磁關(guān)聯(lián)誘導(dǎo)的非常規(guī)超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制。此外,正常態(tài)輸運(yùn)測(cè)量表明,過(guò)摻雜樣品的霍爾電阻呈現(xiàn)非線性特征并在強(qiáng)場(chǎng)下趨于飽和,同時(shí)低場(chǎng)磁電阻曲線表現(xiàn)出明顯的磁滯現(xiàn)象。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Eu2+的局域磁矩可能通過(guò)自旋—軌道耦合誘導(dǎo)出復(fù)雜的磁性關(guān)聯(lián),并與傳導(dǎo)電子發(fā)生非平凡的相互作用,進(jìn)而深刻影響了體系的超導(dǎo)相圖。
本研究的核心實(shí)驗(yàn)依托我國(guó)穩(wěn)態(tài)、脈沖兩大強(qiáng)磁場(chǎng)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施完成:SHMFF憑借高穩(wěn)定度強(qiáng)磁場(chǎng)、極低溫,以及高精度原位連續(xù)變角度能力,搭配近二十種科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),為材料宏觀與微觀綜合物性表征提供關(guān)鍵支撐;國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心提供的超高瞬態(tài)磁場(chǎng),為探明該超導(dǎo)態(tài)的高場(chǎng)響應(yīng)邊界打開(kāi)了探測(cè)窗口。兩大國(guó)家大科學(xué)裝置通過(guò)穩(wěn)態(tài)精度與脈沖場(chǎng)強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),構(gòu)建了覆蓋從精細(xì)物理表征到極限物性探測(cè)的完備實(shí)驗(yàn)體系,為系統(tǒng)揭示極端條件下的新奇量子現(xiàn)象提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。
香港城市大學(xué)博士后楊明衛(wèi)、湯家音,南方科技大學(xué)博士生吳顯峰為論文共同第一作者。香港城市大學(xué)副教授李丹楓、南方科技大學(xué)副教授/粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心雙聘研究員陳卓昱和粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心汪恒副研究員為論文共同通訊作者。論文作者還包括中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)中心陸輕鈾教授、匡光力研究員,華中科技大學(xué)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心李亮研究員,波士頓學(xué)院汪自強(qiáng)教授等。薛其坤院士對(duì)論文作出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省相關(guān)研究基金、中國(guó)香港特別行政區(qū)研究資助局、深圳市研究基金、美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10547-y
https://www.nature.com/articles/s41467-026-69650-3

圖1. 45 T混合磁體極低溫旋轉(zhuǎn)電輸運(yùn)測(cè)試結(jié)果:Eu高摻雜比例SCE0.38和SCE0.40,在低至0.3 K極低溫、不同磁場(chǎng)角度下的歸一化電阻變化曲線。

圖2. 展示超導(dǎo)重入態(tài)的過(guò)摻雜SCEx(x=0.30、0.33、0.36、0.38、0.40)樣品以及唯象擬合參數(shù)隨摻雜濃度的依賴關(guān)系,SCE0.40高摻雜樣品展現(xiàn)出了經(jīng)典Jaccarino-Peter (J-P)補(bǔ)償機(jī)制失效的物理特征,表明該組分可能存在額外物理機(jī)制。

圖3. Sm0.95-xCa0.05EuxNiO2的Eu摻雜完整相圖。