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ACS Nano | 三维尖晶石结构系统中的非常规超导电性

作者：X-MOL 2022-11-24

英文原题：Fourfold Symmetric Superconductivity in Spinel Oxide LiTi₂O₄(001) Thin Films

通讯作者：高春雷, 复旦大学物理学系; 安正华, 复旦大学物理学系; 李炜, 复旦大学物理学系

作者：Huanyi Xue (薛环一), Lijie Wang (王丽杰), Zhongjie Wang (王忠杰), Guanqun Zhang (张冠群), Wei Peng (彭炜), Shiwei Wu (吴施伟), Chun-Lei Gao (高春雷), Zhenghua An (安正华), Yan Chen (陈焱), Wei Li (李炜)

背景介绍

在混合价态(Mixed Valence State)氧化物强关联电子系统中由于同时存在着多种不同化合价态的原子促使该系统中的巡游电子与局域关联电子之间的激烈相互作用、相互影响而呈现出许多非常新颖的量子物性，特别是在锰氧化合物系统中发现的巨磁阻效应和在铜氧化合物系统中发现的非常规高温超导电性。因此，在混合价态氧化物强关联电子系统中蕴含着丰富的物理宝藏。对它的研究不仅具有重要的前沿基础科学研究价值，而且还具有广泛的应用前景。

尽管自非常规高温超导电性的发现迄今已有30余年时间，但是在非常规超导电性的前沿基础科学研究中仅有定论为非常规超导体却只有两类，分别是于1986年发现的具有二维层状结构的铜氧化合物d波非常规超导体和于2008年发现的层状结构铁基系统s±波非常规超导体。同时，这些非常规超导电性的产生机理依然是一个未解之谜。探索与研究具有较高超导转变温度的新型非常规超导体是非常有挑战性的，也期望能从这些研究中获得新的物理线索为揭开非常规超导电性产生的背后物理机制，实现可能的室温超导体的目标。

文章亮点

近日，复旦大学物理学系李炜青年研究员及其合作者在ACS Nano上发表了在具有混合价态的三维尖晶石结构LiTi₂O₄超导薄膜系统中观测到d波型非常规超导电性。利用脉冲激光沉积技术在实验层面上成功地制备出具有三维尖晶石结构的LiTi₂O₄(001)方向的高质量单晶薄膜并通过低温电学输运和磁学测试表征手段，揭示出LiTi₂O₄薄膜系统具有超导转变温度为12 K的超导电性，如图1所示。同时，我们还将该超导薄膜样品制作出特殊的Corbino电极结构，在电学输运测试中我们观测到在超导薄膜样品的超导态中磁阻和超导上临界场随着面内磁场的转动同时展现出明显的面内四度旋转对称性，而在其正常态中该现象却消失了，如图2和3所示，说明该面内四度旋转对称性为LiTi₂O₄(001)超导系统的本征超导属性。此外，我们还在该超导态的扫描隧道谱中观测到d波型特征，如图3所示。这些互补性的实验结果表明具有三维尖晶石结构的LiTi₂O₄为一种新型的d波超导配对对称性的非常规超导体。

图1.具有混合价态的三维尖晶石结构 LiTi₂O₄(001)薄膜系统的超导电性

图2. 在刻有Corbino电极结构的 LiTi₂O₄(001)超导薄膜系统中观测到超导态的面内四度旋转对称性

图3. LiTi₂O₄(001)超导薄膜系统中的超导上临界场的面内四度旋转对称性及其扫描隧道谱中的d波型特征

总结/展望

因此，研究团队在具有三维尖晶石结构的LiTi₂O₄超导薄膜系统中发现其具有d波型超导配对对称性的新型非常规超导电性。它的发现是继二维层状结构铜氧化合物d波非常规超导体之后的三维强关联电子系统的非常规超导体，也是为揭开非常规超导电性可能的背后物理机制提供新的重要的价态涨落物理线索。

相关论文发表在ACS Nano上，复旦大学物理学系博士研究生薛环一、王丽杰和王忠杰为文章的共同第一作者，高春雷教授、安正华研究员和李炜青年研究员为通讯作者。

通讯作者信息：

高春雷教授

高春雷，现为复旦大学物理学系教授、博士生导师。主要从事利用自旋极化扫描隧道显微镜在原子尺度表征表面和低维磁性体系磁结构和磁激发的研究工作，研究对象包括薄膜和纳米磁性结构，磁性分子，以及磁性半导体和磁性拓扑绝缘体等。迄今为止，已经在Science、PRL等杂志上发表近60篇SCI科研论文。

安正华研究员

安正华，现为复旦大学物理学系研究员、博士生导师。长期从事半导体低维结构相关的实验研究，在低维材料制备、微纳加工、量子器件的研制等方面积累了许多的工作经验。曾首次观测到室温GaAs器件中热电子的非局域能量耗散等。相关成果已发表于Science、Nat. Comm.等期刊，累计发表SCI文章近100篇，国家发明专利10余项。曾获得2018年度中国十大光学进展等奖项。

李炜青年研究员

李炜，现为复旦大学物理学系青年研究员、博士生导师。主要从事强关联电子系统方面的研究。目前主要致力于探索与研究新颖量子物态及其在人工异质界面系统中的实现，特别是异质界面非常规超导电性方面的研究。迄今为止，已经在国际权威学术刊物Nature Communications、ACS Nano、Physical Review等上发表SCI科研论文近70篇。

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