2019年8月，來(lái)自斯坦福大學(xué)的Harold Hwang教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了鎳基超導(dǎo)體，該工作發(fā)表于Nature期刊上。在該項(xiàng)研究中，研究人員通過CaH2的還原效應(yīng)，將NdNiO3還原為NdNiO2，進(jìn)一步通過Sr原子替換Nd原子來(lái)進(jìn)行空穴摻雜，最終在(Nd,Sr)NiO2薄膜中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)溫度為9-15K的超導(dǎo)信號(hào)。該項(xiàng)工作證明了在鎳基氧化物中，也可以實(shí)現(xiàn)與銅基超導(dǎo)體具有3d9電子組態(tài)相同機(jī)制的超導(dǎo)現(xiàn)象。該項(xiàng)工作的重要意義在于：①相對(duì)于傳統(tǒng)的銅基超導(dǎo)體而言，鎳基氧化物薄膜可以通過分子束外延生長(zhǎng)等技術(shù)，對(duì)薄膜生長(zhǎng)厚度和原子組份實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控；②可以通過選擇不同的薄膜生長(zhǎng)襯底，改變面內(nèi)應(yīng)變系數(shù)等自由度，為未來(lái)進(jìn)一步調(diào)控鎳基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)溫度奠定基礎(chǔ)；③表明了在鎳基和銅基超導(dǎo)氧化物中，面內(nèi)的NiO2與CuO2原子層所帶來(lái)的3d9電子態(tài)是超導(dǎo)的根本機(jī)制，銅并不是高溫超導(dǎo)體系必須的元素。因此，該發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象的研究進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代：鎳基時(shí)代。

然而，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，來(lái)自全世界的研究團(tuán)隊(duì)都無(wú)法重復(fù)出鎳基氧化物中的超導(dǎo)信號(hào)，這成為鎳基超導(dǎo)體研究領(lǐng)域所面臨的最大困難。為了推進(jìn)該方向的研究，需要解決以下兩個(gè)重要的問題：①如何理解鎳基超導(dǎo)體與銅基超導(dǎo)體的相似與不同；②為何鎳基超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)難以重復(fù)？

近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、中科院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鐘志誠(chéng)研究員和維也納技術(shù)大學(xué)固體物理研究所Karsten Held教授合作，在鎳基氧化物超導(dǎo)體的理論研究領(lǐng)域取得了一系列重要突破。

研究人員首先對(duì)鎳基超導(dǎo)體系的電子能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)和銅基超導(dǎo)體（以CaCuO2為例，如圖1所示）中的dx2-y2單帶超導(dǎo)模型類似，鎳基氧化物超導(dǎo)體中Ni原子也具有dx2-y2單帶特征（如圖2（a）所示），這說明二者應(yīng)該具有相同的超導(dǎo)起源。但二者的不同之處在于，在NdNiO2中，Nd原子的f電子能帶會(huì)與Ni-dx2-y2發(fā)生雜化，并穿過費(fèi)米面，從而對(duì)其超導(dǎo)產(chǎn)生影響（如圖2（b）所示）。該工作發(fā)表于Phys. Rev. B 100, 201106(R) (2019)，蔣沛恒博士和司良博士為該論文的共同一作，鐘志誠(chéng)研究員為通訊作者。

針對(duì)目前世界范圍內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)無(wú)法重復(fù)鎳基超導(dǎo)現(xiàn)象的問題，研究人員提出了一種新的理論解釋：在CaH2還原鎳基氧化物的實(shí)驗(yàn)過程中，H原子極易殘留在樣品中。如果H原子被吸附在ABO2（A為稀土元素/堿土金屬元素，B為過渡金屬元素）氧化物頂點(diǎn)位置（如圖3所示），那么體系的電子、磁性結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生極大的變化。通過計(jì)算包括SrVO2、LaNiO2、CaCuO2等數(shù)十種氧化物體系中H原子的束縛能，研究人員發(fā)現(xiàn)不同的ABO2氧化物對(duì)H原子的束縛能差別很大。其中，對(duì)于SrVO2等體系來(lái)說，H原子極易被吸附，這解釋了在SrVO3的還原實(shí)驗(yàn)中得到SrVO2H的現(xiàn)象；而在NdNiO2和LaNiO2中，研究人員也發(fā)現(xiàn)了H原子的束縛現(xiàn)象。這表明實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在NdNiO3和LaNiO3的還原反應(yīng)中，實(shí)際得到的體系為NdNiO2H與LaNiO2H。為了研究摻入的H原子對(duì)體系電子結(jié)構(gòu)的影響，研究人員對(duì)LaNiO2和LaNiO2H兩種體系進(jìn)行了動(dòng)態(tài)平均場(chǎng)近似下的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。

如圖4表示，H原子的摻入會(huì)極大地改變體系的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)：LaNiO2為單帶的3d9組態(tài)，基態(tài)電子結(jié)構(gòu)為強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬態(tài)，而LaNiO2H為雙帶的3d8組態(tài)，基態(tài)為莫特（Mott）絕緣體態(tài)，這為實(shí)驗(yàn)中難以制備出鎳基超導(dǎo)體提供了理論解釋。此外，該研究還給實(shí)驗(yàn)上應(yīng)如何觀測(cè)鎳基超導(dǎo)現(xiàn)象提出了建議：①嚴(yán)格控制鍶（Sr）原子的摻雜濃度是調(diào)控H原子束縛能的關(guān)鍵；②面內(nèi)應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬峡梢哉{(diào)控H原子的束縛能；③實(shí)驗(yàn)樣品的制備以及測(cè)量溫度也會(huì)對(duì)H原子的吸附產(chǎn)生影響。該工作發(fā)表于Phys. Rev. Lett. 124, 166402 (2020)，司良博士為該論文的第一作者，鐘志誠(chéng)研究員和維也納技術(shù)大學(xué)Karsten Held教授為共同通訊作者。

綜上所述，該系列工作不僅系統(tǒng)性地研究了鎳基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，同時(shí)也對(duì)鎳基超導(dǎo)體中的超導(dǎo)現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中難以重復(fù)的情況給出了解釋，并對(duì)H原子吸附現(xiàn)象進(jìn)行了預(yù)測(cè)。該系列研究將有助于推動(dòng)對(duì)鎳基超導(dǎo)起源的進(jìn)一步理解，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在如何合成鎳基超導(dǎo)樣品及如何發(fā)現(xiàn)更多的鎳基超導(dǎo)體系等方面提供理論指導(dǎo)。

最近，新加坡國(guó)立大學(xué)Ariando Ariando教授的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，成為了世界上第二個(gè)能夠制備出鎳基超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了H原子吸附的現(xiàn)象及其重要性，闡明了排除H原子在樣品中的吸附和殘留，是成功制備鎳基超導(dǎo)體的必備條件，證實(shí)了寧波材料所研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于H原子吸附的理論預(yù)測(cè)。

該系列工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0303602）、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃（ZDBS-LY-SLH008）、國(guó)家自然科學(xué)基金（11774360，11904373，51931011），國(guó)家博士后科學(xué)基金（2018M642497）及寧波市3315創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的支持，數(shù)值計(jì)算工作在中科院寧波材料所超算中心以及維也納科學(xué)超算中心進(jìn)行。