Why is Superconductivity absent in bulk Infinite-layer Nickelates?
本文将体相掺杂无限层镍氧化物中超导性的缺失归因于镍簇和缺镍区域的形成，这一结论得到了简单的磁静力学模型和密度泛函理论计算的支持。
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几十年来，物理学家一直在追寻一种特殊的电学魔力：让电流在材料中以绝对零电阻的状态流动的能力。这种被称为超导现象的现象，通常需要将材料冷却到接近绝对零度的极低温度。然而，一类含有铜的材料——铜氧化物，打破了这一规则，它们在更高、更易处理的温度下实现了超导。这一发现引发了长达数十年的探索，旨在寻找其他能够实现同样功能的材料家族，希望通过理解它们来揭示高温超导背后的秘密机制。一个极具前景的候选者以镍氧化物的形式出现，这些含镍材料在结构上与基于铜的铜氧化物非常相似。当科学家们制备了这些镍氧化物的薄膜并用特定元素进行掺杂后，他们成功观察到了超导现象。然而，一个令人困惑的矛盾出现了：当其他团队尝试制作与薄膜完全相同的材料的大块体相（bulk）样本而非薄膜时，超导现象却完全消失了。
这一谜团促使一个研究小组去调查为什么体相样本失败了而薄膜却成功了。他们提出，这种差异并非由于衬底或薄膜所在的界面引起的（正如一些人所推测的那样），而是由于体相合成过程中固有的微小缺陷。通过结合磁性建模和计算机模拟，该团队发现体相样本中存在着纯金属镍组成的微观岛屿，这些岛屿是与主体材料共同形成的。由于纯镍具有磁性，这些微小的岛屿就像散布在样本中的微型磁铁。研究人员计算出，这些簇状物产生的磁场强度足以破坏超导所需的精密状态，从而在超导开始之前就将其扼杀。
这项调查始于对薄膜生长表面作用的长期争论。一些科学家曾暗示，薄膜中的超导是一种界面现象，即它仅发生在材料与衬底接触的地方。然而，作者指出，测量磁场排斥现象的实验证实，衬底并不直接参与超导机制。相反，关注点转向了材料本身的内部质量。此前已有报道称，这些镍氧化物的体相样本在某些区域存在镍原子缺失的问题，而且缺失的镍原子并非简单地消失了，而是聚集在一起形成了明显的簇，这些簇的大小可达几微米，并被困在主材料的晶粒之间。
为了理解这些簇的影响，研究人员将它们视为微型铁磁体，因为镍是一种磁性金属。他们估计这些簇的半径约为一微米，并计算了它们产生的磁场。通过使用两种不同的物理模型来描述这些磁场如何表现，他们发现，即使在距离簇十微米远的地方，磁场依然很强，数值达到毫特斯拉量级。这是一个关键发现，因为这些材料超导状态崩溃的阈值极低，据报道仅为0.79毫特斯拉。镍簇产生的磁场比这个极限高出好几个数量级，这意味着如果存在这些簇，它们会创造出一个对超导具有敌意的磁环境，使材料根本无法进入超导状态。
在另一条研究路径中，该团队利用计算机模拟研究了镍原子的缺失如何影响材料的电子结构。他们对具有不同程度镍缺失的材料进行了建模，发现缺失的原子降低了在超导发生能量水平上特定电子轨道（即 Ni 3dx2−y2 轨道）的重要性。该轨道被认为是这些材料中超导行为的关键。当其影响力因镍缺失区域的存在而减弱时，材料就失去了实现该现象所需的关键要素。这表明，即使移除了磁性簇，体相样本中的化学缺陷仍会阻碍超导态的形成。
作者得出结论，无限层镍氧化物体相样本中超导现象的缺失，很可能是由这两个因素共同导致的。镍缺失区域以不利于超导的方式改变了电子景观，而聚集到簇中的镍原子则产生了足以彻底破坏超导态的磁场。这些缺陷似乎是目前用于合成体相样本的化学方法所特有的产物，这些方法与制备成功的薄膜所用的技术不同。研究人员建议，如果未来的合成方法能够消除这些镍簇并纠正镍缺失问题，或许就能在体相镍氧化物样本中观察到超导现象，从而最终解开为何厚重的样本保持沉默而薄膜却能“歌唱”的谜团。
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