发完Nature发Science，这个领域今年至少已发表7篇NS正刊！

纳米人

2019-11-25

自从1911年问世以来，科学家对高温超导的追逐已逾百年，不可不谓久矣！尤其是2017年MIT的研究团队发现魔角石墨烯的超导性之后，超导再一次刷屏。我国在高温超导领域的研究也长期处于国际科研前沿阵地，并取得了许多重大突破。

今天，我们简要介绍的是，2019年以来，国际多个课题组在Nature和Science杂志发表的7篇超导，尤其是高温超导有关研究成果，希望对相关领域研究人员有所启发！

PS：由于编辑学识有限，难免疏漏和错误，本文仅作为一个简单介绍，敬请大家阅读原文。

 1. Science：高温超导中首次证实量子金属态的存在！

2019年11月14日，电子科技大学张万里、熊杰研究团队通过与北京大学王健教授团队、林熙研究员课题组、北京师范大学刘海文研究员、清华大学姚宏教授、美国布朗大学James M. Valles Jr 教授、Jimmy Xu教授等专家合作，首次在高温超导纳米多孔薄膜中完全证实了量子金属态的存在。通过调节反应离子刻蚀的时间，在高温超导钇钡铜氧（YBCO）多孔薄膜中实现了超导—量子金属—绝缘体相变。通过极低温输运测试发现，超导、金属与绝缘这三个量子态都有与库珀电子对相关的h/2e周期的超导量子磁导振荡，证明量子金属态是玻色金属态，揭示出库珀对玻色子对于量子金属态的形成起到了主导作用。

参考文献：

Chao Yang, Yi Liu et al. Intermediate bosonicmetallic state in the superconductor-insulator transition. Science 2019.

https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798.full

2. Nature：更接近室温超导，250K新纪录！

硫化氢和氢化镧超导体的共同特征是：它们富含氢，并且超导性仅在高于约一百万倍大气压的压力下出现。在这些极端条件下，化学键可以大大改变，诱导形成不稳定的化合物。高压似乎稳定了LaH化合物的形成，使其具有比在环境压力下可达到的大得多的氢含量。有鉴于此，德国马普化学所Drozdov团队报道了当压力压缩到地球大气压超过一百万倍时，氢化镧化合物在250 K时就变成超导体，这是目前已知的最接近室温的超导体。理论预测，在某些情况下具有低原子质量的元素可能导致高临界温度。氢是最轻的元素，对于高临界温度是最佳的；而用较重的同位素氘取代氢气应该降低临界温度。Drozdov等人观察到这种同位素效应，他们发现与镧氢化物样品相比，氘化镧样品的临界温度几乎与理论预测的量相当。

参考文献：

A. P. Drozdov, P. P. Kong, V. S.Minkov, S. P. Besedin, M. A. Kuzovnikov, M. I. Eremets et al. Superconductivityat 250 K in lanthanum hydride under high pressures. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1201-8

3. Nature：二维高温超导新进展！

基于铜的氧化物材料的高温超导体构成了复杂多样的材料家族，但它们都共享分层的晶格结构。这个奇怪的事实引起了科学家的好奇心了：在隔离的单层氧化铜中，是否可以存在高温超导性？如果存在，那么二维超导性和各种相关现象是否与它们的三维对应性不同。这个答案可能会为有关维数在高温超导中的作用提供更多信息。有鉴于此，复旦大学Yuanbo Zhang、Liguo Ma和中科大Xian Hui Chen 等人开发了一种制造工艺，可获得高温超导体Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ的本征单层晶体（Bi-2212；单层是指包含两个CuO₂平面的半晶胞）。研究人员发现，单层铜氧化物最高超导转变温度与最佳掺杂体的最高温度一样高。与传统的二维超导体（如NbSe₂）大大降低的转变温度相比，对转变温度缺乏尺寸影响无法满足Mermin-Wagner定理的期望。单层Bi-2212的性能变得极为可调，对各种掺杂浓度下的超导性，拟能隙，电荷阶数和莫特状态的调查表明，这些相与本体中的相没有区别。因此，单层Bi-2212显示了高温超导的所有基本物理原理。

参考文献：

Yijun Yu et al. Cesium Lead InorganicSolar Cell with Efficiency beyond 18% via Reduced Charge Recombination. Nature2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1718-x

4. Nature：魔角石墨烯中的超导研究新进展！

双层石墨烯中，当一层相对于另一层以特定角度扭曲时，会产生超导现象。有鉴于此，来自西班牙巴塞罗那科技研究所的Dmitri K. Efetov课题组报道了具有高度一致的扭曲角的魔角扭曲双层石墨烯器件的制造方法。随着扭曲角无序度的减小，在四重自旋谷的简并导带和价带的所有整数占据处都存在绝缘态。当ν≈-2时，在高达3 K的临界温度下观察到超导性。在接近ν= 0和ν=±1绝缘状态，研究人员还观察到三个新的超导圆顶，它们的温度要低得多。值得注意的是，在ν=±1时，发现Chern数非零的状态。当ν= -1时，当施加大于3.6 tesla的垂直磁场时，绝缘态磁滞电阻明显增强，这与磁场驱动的相变一致。这项研究为魔角扭曲双层石墨烯的现象学提供了更详细的解析，加深了我们对其新兴性质的不断发展的理解。

参考文献：

XiaoboLu et al. Superconductors, orbital magnets and correlated states in magic-anglebilayer graphene. Nature 2019, 574, 653–657.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1695-0

5. Nature：高温超导新进展！

铜氧化物中，高温超导性研究领域争论的焦点之一在于是赝能隙：在体积临界温度以上的“正常”状态下，在费米表面的一部分上打开的部分能隙。赝能隙的产生归因于前体超导性、预成形对的存在以及电荷密度波等相互竞争的阶数。直接测定载流子电荷与温度和偏压的函数关系，有助于解决这些备选方案中的问题。

有鉴于此， 莱斯大学的Douglas Natelson教授报告了使用原子层逐层分子束外延在几个掺杂水平上制造的高质量La_2−xSr_xCuO₄/La₂CuO₄/La_2−xSr_xCuO₄（LSCO/LCO/LSCO）异质结构中隧道电流的散粒噪声测量。这些数据描绘了偏压-温度空间中三个不同的区域。在超导间隙区之外，散粒噪声与单个电荷载流子的独立隧道效应在数量上是一致的。 在超导间隙的深处，粒子噪声大大增强，使人想起多次安德列夫反射。在临界温度以上，并且扩展到比超导间隙大得多的偏压，存在一个很大的区域，其中噪声大大超过了单电荷隧道的理论预期，表明电荷载流子对。这些电荷载流子对可以在温度和偏压的赝能隙区深处被探测到。这些电荷载流子对的存在限制了赝隙和破缺对称态的电流模型，而相位涨落限制了超导性的范围。

参考文献：

Zhou, P. et al., Electron pairing in the pseudogap state revealed by shot noise in copper oxide junctions. Nature 2019, 572 (7770), 493-496.

DOI:10.1038/s41586-019-1486-7

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1486-7

6. Nature：超导家族新成员！

为了探索铜基超导性的起源并不断壮大超导家族，研究人员开始寻找研究具有相似晶体和电子结构的化合物，镍化合物就是其中之一。最近，一种LaAlO₃/LaNiO₃超晶格结构，被提出用于产生具有单独占据的人工层状镍酸盐异质结构。在先前的相关实验中观察到的超导性的缺失至少部分地归因于例如轨道的不完全极化。2019年8月23日，美国SLAC国家加速器实验室Harold Y. Hwang和Danfeng Li等人报道了在无限层镍酸盐中观察到超导性的现象，该无限层镍酸盐与无限层铜氧化物结构类似，超导家族再次迎来新成员！采用软化学拓扑还原，通过还原钙钛矿前驱体相合成NdNiO₂和Nd_0.8Sr_0.2NiO₂单晶薄膜。尽管NdNiO₂在低温下表现出电阻上升，但电阻率，临界电流密度和Nd_0.8Sr_0.2NiO₂的磁场响应的测量表明超导转变温度为约9至15 K。因为这种化合物是一系列还原层状镍酸盐晶体结构形成，表明这类镍氧化物超导体的结构可能类似于铜氧化物。

参考文献：

Danfeng Li et al. Superconductivity in an infinite-layer nickelate. Nature. 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1496-5

7. Science：Cu基高温超导中电荷密度动态变化！

在所有具有高临界温度（Tc）的超导铜酸盐系列中，都能观察到电荷密度的调制。虽然其始终存在于相图的欠掺杂区域和相对较低的温度下，但其在多大程度上影响这些系统的不寻常特性，至今并不明晰。2019年8月30日，，意大利米兰理工大学R. Arpaia和 G. Ghiringhelli等人研究了在Cu基高温超导中电荷密度动态变化如何产生影响。研究人员使用共振X射线散射，仔细确定了在掺杂水平下YBa₂Cu₃O_7-δ和Nd_1+xBa_2-xCu₃O_7-δ中电荷密度调制的温度依赖性。除了先前已知的准临界电荷密度波动之外，研究人员还分离了短程动态电荷密度波动。结果表明，其持续远高于赝温度T*，且只有几个meV的能量，遍布在大面积的相图中。

参考文献：

R. Arpaia et al. Dynamical charge density fluctuations pervading the phase diagram of a Cu-based high-Tc superconductor,Science 2019, 365, 906-910.

https://science.sciencemag.org/content/365/6456/906

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