近日，南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授课题组与电子科学与工程学院王学锋教授课题组合作，通过制备高质量的镍基超导薄膜（La0.8Sr0.2NiO2）及系统的磁输运性质研究，揭示了该体系中存在与铜基超导类似的上临界场各向异性，为理解镍基超导机制提供了新的实验结果。
自1986年铜氧化物高温超导体被发现以来，非常规高温超导机理一直处于凝聚态物理的研究前沿。无限层镍氧化物作为一类新型的非常规高温超导体系，具有与铜基超导体类似的准二维层状晶体结构以及3d9最外层电子构型，为高温超导机理的研究提供了一个崭新的平台。理论与实验研究表明这两类超导体系也存在明显的区别，比如镍基超导体的费米面存在明显的多带特征，这与铜氧化物中被广泛接受的单带物理图像不一致，研究它们之间的联系与区别对揭示非常规高温超导的机制尤为重要。对于超导体而言，上临界场（Hc2）可以给出关于超导维度以及库珀对（Cooper pairs）拆对机制等重要信息，为理解超导机理提供重要帮助。前期研究发现，Nd1-xSrxNiO2体系的上临界场呈现出泡利顺磁极限所导致的各向同性特征，这一结果与铜基超导体中单带物理所主导的各向异性的输运性质有着显著的不同，为理解非常规高温超导机制带来了新的挑战。
图1 (a) 无限层镍氧化物的费米面结构示意图；(b) La0.8Sr0.2NiO2薄膜截面样品的透射电镜表征，显示晶格的高质量；(c) La0.8Sr0.2NiO2薄膜电阻率随温度的变化；(d) 图(c)中低温部分的放大，箭头所指为超导转变的特征温度； (e) 磁场方向平行及垂直于薄膜面外法线方向时，上临界场（Hc2）随温度的变化
在本工作中，基于氧化物分子束外延（oxide molecular beam epitaxy, OMBE）技术，经过系统的摸索和参数优化制备出高质量的前驱相La0.8Sr0.2NiO3，并结合软化学还原法进一步获得了无限层结构La0.8Sr0.2NiO2超导薄膜。如图1a-1d所示，扫描透射电子显微镜结果显示优化后的薄膜没有出现之前文献报道中普遍存在的次生杂相，并实现了超导转变温度的显著提升（Tc,onset = 18.8 K, Tc,zero = 16.5 K），为镍基超导本征性质的探索提供了基础。进一步的磁输运表征显示该体系的上临界场（Hc2）大小随磁场角度的变化呈现出明显的各向异性，且面内方向的上临界场打破了弱耦合极限下的BCS泡利极限（如图1e所示）。同时，超导转变温度以及磁通运动均受到外加磁场角度的明显调制，进一步提供了各向异性超导的实验证据。本工作显示无限层镍基超导体中存在与铜基超导体类似的磁输运各向异性，为比较镍基超导体与铜基超导体的异同以揭示非常规高温超导的机理提供了新的实验基础。
相关成果以“Evidence for anisotropic superconductivity beyond Pauli limit in infinite-layer lanthanum nickelates”为题发表在Advanced Materials期刊上(https://doi.org/10.1002/adma.202303400)。南京大学现代工程与应用科学学院博士生孙文杰、李月莹以及电子科学与工程学院博士生刘汝新为该论文的共同第一作者，聂越峰教授与王学锋教授为论文的共同通讯作者。南京大学现代工程与应用科学学院硕士生杨江枫、博士生李嘉祎以及东南大学物理学院博士生魏伟为该研究的重要合作者。该研究工作还得到南京大学邓昱教授、东南大学孙悦教授和施智祥教授、华中科技大学金港舰老师和朱增伟教授的大力支持与帮助。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金以及教育部“长江学者奖励计划”等项目的资助；此外，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室对该研究也给予了重要支持。