高压下La3Ni2O7-δ的超导能隙结构揭示：安德烈夫反射光谱研究证实强耦合双能隙特性

《Nature Communications》：Revealing superconducting gap in La3Ni2O7-δ by Andreev reflection spectroscopy under high pressure

本刊推荐：为破解高压诱导镍酸盐超导体La3Ni2O7-δ的配对对称性争议，研究团队通过金刚石对顶砧构建微区电导结，首次实现高压下的安德烈夫反射光谱（ARS）测量。BTK模型分析揭示其存在Δs1=23 meV和Δs2=6 meV的双能隙结构，能隙比2Δs1(0)/kBTc达7.41，确认为s波主导的强耦合超导体，为镍酸盐高温超导机制研究提供关键实验证据。

　　

在探索高温超导机制的征程中，镍酸盐家族近年来崭露头角。2023年，科学家们在双层结构的La₃Ni₂O_7-δ材料中发现了接近80开尔文的超导转变温度，这一发现立即将镍酸盐推向了高温超导研究的前沿。然而，由于高压环境下直接探测超导配对机制的极端困难，关于该材料超导能隙对称性和结构的争论一直悬而未决——它究竟是像铜基超导体那样的d波配对，还是类似铁基超导体的s波配对？抑或具有更复杂的混合对称性？这个问题的答案对于理解镍酸盐的超导机理至关重要。

为了解决这一难题，吉林大学、中山大学等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了创新性研究。他们成功在超过20吉帕的高压下对La_{3Ni2O7-δ样品进行了安德烈夫反射光谱测量，这是首次在如此极端条件下获得镍酸盐超导体的微观能隙信息。}

研究团队采用多项关键技术：使用氨硼烷（NH₃BH₃）作为压力传输介质确保静水压条件；通过微加工制备3微米厚的铂/金电极并在高压下预压缩至1微米以形成点接触结；利用金刚石对顶砧技术实现高压环境；采用范德堡法进行电输运测量；通过锁相放大器进行微分电导dI/dV测量；使用BTK（Blonder-Tinkham-Klapwijk）模型对光谱数据进行拟合分析。

电输运测量结果

研究团队在四个独立的高压腔中均观测到零电阻现象，确认了超导态的存在。在23吉帕压力下，超导转变温度约为72开尔文。值得注意的是，在70-140开尔文温度区间，电阻-温度曲线呈现线性关系，这是奇异金属行为的典型特征。外加磁场实验表明，超导转变会被明显抑制，通过双带模型拟合得到上临界磁场μ₀H_c2(0)为97.7特斯拉，相干长度ξ为18.3埃，确认该材料为第二类超导体。

高压下的安德烈夫反射光谱

研究团队开发了专门用于高压ARS测量的系统，并以铌金属作为标准样品验证了系统的可靠性。在La₃Ni₂O_7-δ样品中，他们观察到了清晰的微分电导曲线，显示出两个明显的超导能隙特征。通过分析接触区域的沙文公式，估算接触半径约为7.33纳米，处于准弹性和准扩散传输的过渡区域。

能隙结构的BTK模型分析

在3开尔文的最低温度下，微分电导曲线在23毫电子伏特和6毫电子伏特处显示出两个相干峰，表明存在双能隙结构。研究人员系统比较了不同对称性模型的拟合效果，包括s+s波、s+d波、d+s波和d+d波模型。结果表明，双s波模型能够最好地描述实验数据，对应的能隙值为Δ_s1=23毫电子伏特和Δ_s2=6毫电子伏特。能隙比2Δ_s1(0)/k_BT_c=7.41，远高于弱耦合BCS理论的预测值（3.53），表明La₃Ni₂O_7-δ属于强耦合超导体。

温度依赖的测量显示，随着温度升高，两个能隙均逐渐减小，并在超导转变温度附近闭合。通过BTK模型拟合得到的临界温度与电输运测量结果一致，均为72开尔文。此外，在约60毫电子伏特处观察到一个额外的峰，这被归因于玻色模特征，可能与准粒子和玻色集体激发之间的相互作用有关。

临界电流测量

为了排除临界电流对微分电导测量可能产生的影响，研究团队还测量了样品在超导转变温度以下的临界电流。通过涡旋钉扎模型拟合得到临界电流密度为812安培/平方厘米，这一相对较小的值可能与样品的低超导体积分数和不均匀性有关。重要的是，测量使用的电流远低于临界电流，确保了光谱测量结果的可靠性。

研究结论与讨论部分指出，该工作通过高压安德烈夫反射光谱技术成功揭示了La₃Ni₂O_7-δ的超导能隙结构特征。实验数据支持s波主导的双能隙模型，这一发现为理解镍酸盐高温超导机制提供了重要线索。与近期在La₂PrNi₂O_7-δ薄膜中观察到的各向异性s波或s+d波配对结果相呼应，表明s波成分可能在镍酸盐超导中扮演重要角色。

该研究的重要意义在于，它提供了高压镍酸盐超导体能隙结构的直接实验证据，解决了该领域长期存在的争议。研究结果表明，La₃Ni₂O_7-δ的超导特性既不同于传统的铜基超导体，也不同于无限层镍酸盐，其独特的双层结构和轨道组成可能导致了一种新型的超导配对机制。这些发现为未来设计更高转变温度的超导材料提供了重要参考，同时也展示了高压光谱技术在研究极端条件下量子材料中的强大能力。