超导双层镍氧化物薄膜的三维电子结构获揭示

近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室、粤港澳大湾区量子科学中心联合研究团队，与中国科学技术大学、上海交通大学和清华大学合作《物理评论X》发表最新研究。团队利用变光子能量角分辨光电子能谱（ARPES），系统解析了常压超导(La,Pr,Sm)3Ni2O7薄膜的三维电子结构，揭示了不同轨道具有不同的维度特性，并在dz2轨道主导的γ能带上发现约18毫电子伏特的超导能隙。

研究示意图。南方科技大学供图

铜氧化物高温超导体通常被视为典型的准二维体系。新近发现的Ruddlesden-Popper双层镍氧化物在费米能级附近同时存在dx2-y2和dz2轨道，其层间耦合可能直接参与超导配对。因此，第三维究竟只是微小修正还是不可忽略的自由度，成为理解其超导机制的关键问题。尤其是dz2轨道形成的γ能带是否穿过费米能、沿面外动量如何演化、是否直接参与超导，一直存在理论争议。传统单一光子能量的ARPES测量主要给出某个kz截面的信息，难以回答完整的三维问题，且双层镍氧化物对氧损失十分敏感，样品在转移中容易发生退化。

为此，团队采用超强氧化原子层逐层外延方法生长高质量(La,Pr,Sm)3Ni2O7/SrLaAlO4薄膜，并确认了薄膜的逐原子层生长和高结晶质量。输运测量显示，样品的超导起始温度约为48 K，生长后被迅速冷却至200 K以下，并通过低温超高真空转移腔送至同步辐射ARPES线站。该流程将转移期间的氧损失降到最低，为本征能带及能隙测量提供了可靠基础。