Nature子刊！高温高压光学浮区法单晶炉助力镍基超导体高压超快光谱研究取得新突破

发布日期：2024-12-16

由于镍基超导具有与铜酸盐类似的d电子结构，表明镍基超导体具有潜在的高温超导性，因而受到关注。尤其，近期的研究成果进一步支持了这一假设。中山大学王猛及其合作者发现La₃Ni₂O₇单晶在14 GPa及以上的压力下，显示出TC≈80 K的超导转变。此后，诸多实验也相继报道了它在高压下的超导性能。然而，其超导机制尚不清楚，也存在一些争议。

密度波（DW）序与超导电性之间的强关联相互作用在高温超导领域一直是被广泛研究的课题。在La₃Ni₂O₇中，在常压条件下，当温度降低时，存在两种DW转变。在包括共振非弹性X射线散射（RIXS）、μ自旋旋转（μSR）实验、核磁共振（NMR）等多种实验中已经确定在150 K左右存在类自旋密度波（SDW）跃迁；而在输运或光导测量中又存在电荷密度波（CDW）跃迁，跃迁温度在110至130 K之间。La₃Ni₂O₇中复杂的DW行为，被认为源于多个主要由Ni d_x²-y²和d_z²两种e_g轨道贡献的费米表面之间的散射，而该行为受温度和压力的影响显著。因此，深入研究DW有序在压力下的演化对于揭示这种镍酸盐中超导配对机制至关重要。

近期，中国科学院物理研究所汪信波及其合作者^[1]，利用德国ScIDre公司的HKZ型高温高压光学浮区法单晶炉成功制备了La₃Ni₂O₇单晶样品，并使用超快光学泵浦探测光谱技术，深入探究了双层镍酸盐La₃Ni₂O₇单晶在高达34.2GPa高压下的准粒子动力学。在常压下，弛豫动力学温度依赖关系表现出声子瓶颈效应，这是在151K附近的能隙打开造成的。通过Rothwarf-Taylor模型确定这种类似DW带隙的能量尺度为66meV。结合近期的实验结果，作者认为常压低温下的这种类似DW转变是自旋密度波（SDW）。这种SDW序在13.3GPa之前随着压力的增加被显著抑制，在26GPa附近完全消失。值得注意的是，在29.4 GPa以上的压力下，作者观察到另一种类似DW序的出现，它的转变温度在大约135K，这可能跟CDW有关。作者的研究为高压下类似DW带隙的变化提供了实验证据，为La₃Ni₂O₇中DW序与超导电性之间的相关性提供了关键信息。

图1：在环境压力下泵-探针光谱和提取的参数。

图2：20 K时泵-探针光谱及提取参数随压力的变化关系，在26 GPa附近DW阶完全消失。

图3：基于泵浦-探针光谱测量的La₃Ni₂O₇的温度-压力相图。

       该项研究工作中由德国ScIDre公司的HKZ型高温高压光学浮区法单晶炉成功制备的La₃Ni₂O₇单晶样品，相关实验参数为：O₂气氛，压力15bar，5KW氙灯。

高温高压光学浮区炉

德国ScIDre公司推出的HKZ系列高温高压光学浮区法单晶炉能够提供高达3000℃的生长温度，样品腔压力可达300bar，甚至10^-5mbar的高真空。适用于生长各种超导材料单晶，介电和磁性材料单晶，氧化物及金属间化合物单晶等。Quantum Design将ScIDre公司先进的高温高压光学浮区法单晶炉、高压氧气氛退火炉等科研设备引进中国，更好的为中国晶体生长领域的发展提供设备支持和技术服务。

ScIDre单晶炉特点

► 采用垂直式光路设计

► 采用高照度氙灯，多种功率规格可选

► 采用光阑控制技术，加热功率从0-100% 可调

► 熔区温度：高达2000 - 3000℃（具体取决于材料和配置）

► 熔区气压：10bar、50bar、100bar、150bar、200bar、300bar可选

► 熔区气氛：Ar、O₂、N₂、混合气等可选

► 不同真空环境可选：10^-2 mbar或 10^-5 mbar

► 丰富的可升级选件

高温高压光学浮区法单晶炉外观图

参考文献：

[1]. Meng, Y., Yang, Y., Sun, H. et al. Density-wave-like gap evolution in La₃Ni₂O₇ under high pressure revealed by ultrafast optical spectroscopy. Nature Communications, volume 15, 10408 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-54518-1