物理系在层状镍酸盐超导体的超快动力学研究中取得进展
日期：
2024-10-22
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高温超导是凝聚态物理研究的的核心前沿课题之一。铜基氧化物是最受关注的高温超导材料，其中的3d9电子结构被认为在高温超导中起了决定性的作用。与铜基氧化物类似，镍氧化物也可以具有类似的3d9电子结构，因而受到极大的关注。此前的镍氧化物超导行为的研究主要集中于无限层的薄膜材料。但是其超导转变温度相对较低，且材料制备难度较大。最近，双层和三层RP相的镍酸盐Lan+1NinO3n+1（n = 2, 3）体材料被发现在高压下表现出非常规超导行为[Nature, 621,493–498 (2023); Nature, 631,531–536 (2024)；Nature, 634, 579-584 (2024)]，其中La3Ni2O7的超导转变温度更是进入了液氮温区，因而引发了新一轮超导研究的热潮。在常压下，Lan+1NinO3n+1还表现出许多有趣的性质，例如轨道依赖的电子关联效应、非费米液体行为和密度波转变等。对常压下物理性质的研究将有助于对双层和三层镍氧化物超导材料新奇物性的理解。此前，利用角分辨光电子能谱实验，清华大学物理系杨乐仙课题组及合作者研究了La3Ni2O7和La4Ni3O10的电子结构及电子关联性质 [Chin. Phys. Lett.41， 087402 （2024）， arXiv: 2405.19853]。近期,杨乐仙课题组及合作者利用时间分辨的反射率测量，观察到了常压下双层和三层镍酸盐的超快动力学之间的显著差异。研究团队在La4Ni3O10中观察到了涉及La、Ni和O原子集体振动的相干声子模式，而La3Ni2O7中由于对称性限制，不存在这种声子模式。在La4Ni3O10中，超快反射率的特征弛豫时间在密度波转变温度附近发散，表现出典型的密度波态转变的行为。而在La3Ni2O7中，弛豫时间随着温度升高逐渐减小，并在约150 K以上和温度成反比，表现出非费米液体的行为。双层和三层镍酸盐中显著不同的动力学行为表明这两类材料中的密度波态行为有明显的区别。La3Ni2O7可能受到材料结构复杂性的影响，密度波态更接近短程有序，并没有形成确定的密度波态能隙。而La4Ni3O10的典型密度波态行为对应的密度波态能隙大约为16 meV，和此前角分辨光电子能谱实验的结果一致。此外，La3Ni2O7和La4Ni3O10的电子-声子耦合系数分别被估计为0.05–0.07和0.12–0.16，表明电子-声子耦合在Lan+1NinO3n+1的常压电子性质中的作用相对较小。这项工作为镍酸盐超导材料中复杂的多自由度之间的相互作用提供了重要的动力学信息，有利于进一步理解其常压正常态及高压超导态的性质。该研究成果以“Distinct ultrafast dynamics of bilayer and trilayer nickelate superconductors regarding the density-wave-like transitions”为题发表在Science Bulletin上。物理系2021级博士生李义典为论文的第一作者，物理系杨乐仙副教授、杨鲁懿副教授、松山湖材料实验室的郭汉杰副研究员和上海科技大学的李刚副教授为本文的共同通讯作者。该研究的合作者还包括上海科技大学的齐彦鹏副教授、中科院半导体所的林妙玲特别研究助理、谭平恒研究员和松山湖材料实验室的赵金奎研究员。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、清华大学自主科研计划和北京市自然科学基金的支持。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324007503
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