Marginal-Fermi-Liquid-like Behavior without Pseudogap in Infinite-Layer Nickelates
这项研究利用角分辨光电子能谱表明，无限层镍氧化物表现出动量选择性的类边缘费米液体散射，且没有铜氧化物中常见的伪能隙形成，这表明伪能隙并非高温超导性的必要前提。
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想象一下，电子的世界就像一座繁忙的城市。在大多数材料中，这些微小的旅行者以一种有序、可预测的方式移动，就像在运行时刻表精准的列车系统上的通勤者。物理学家将这种有序状态称为“费米液体”。但在一些特殊的材料中，比如被称为铜基铜酸盐的铜化合物，这座城市陷入了混乱。列车不再按时运行，通勤者的行为也变得奇怪且难以预测。这种混乱的状态被称为“奇异金属”，并且通常伴随着一种被称为“伪能隙”的神秘现象。可以将伪能隙想象成一场突然降临在城市部分区域的无形浓雾，在城市冻结成超导体（一种电流无电阻流动的状态）之前，这层雾气就阻挡了电子的某些路径。几十年来，科学家们一直试图弄清楚，这层雾究竟是让高温超导成为可能的秘密配方，还是仅仅是混乱产生的一种副作用。
现在，这位电子剧中的新角色登场了：无限层镍氧化物。这些由镍和氧组成的材料在外观上与铜基铜酸盐非常相似，但配方略有不同。正因为它们如此相似却又截然不同，因此为科学家提供了一个完美的“对照组”。如果雾（伪能隙）在两者中都出现了，那么这可能是一种此类材料的普遍规律；如果它只出现在铜化合物中，那么这层雾可能只是铜的一种特定怪癖。大问题在于：能否在没有这层雾的情况下，依然拥有那种混沌的、奇异金属的行为以及超导的潜力？
在这项研究中，来自复旦大学及国际合作团队的研究人员决定使用一种名为角分辨光电子能谱（ARPES）的强大“照相机”来仔细观察这些镍氧化物材料。这个工具就像一台高速3D相机，可以捕捉电子运动时的瞬间，揭示它们的能量和方向。然而，拍摄这些镍氧化物的图像极其困难，因为材料表面通常很粗糙且存在损伤，就像试图在破碎的镜子反射中拍出一张清晰的照片一样。团队首先必须通过工程手段使镍氧化物薄膜变得极其平滑且洁净，本质上是将这面镜子擦拭到完美无瑕。
一旦拥有了这些纯净的样品，他们拍摄了两种特定类型的镍氧化物薄膜：一种是“掺杂”过的（混合了钙以产生额外的电荷载流子），另一种是“母体”化合物（未掺杂）。他们寻找两样东西：一是神秘之雾（伪能隙）的迹象，二是奇异、混沌电子行为的迹象。
他们的发现令人惊讶。在掺杂后的镍氧化物中，电子的行为确实很奇怪。研究人员测量了电子相互散射的程度，发现这种散射随着它们在材料表面的移动呈现出一种非常特定的方式。这种关系是线性的而非曲线的，这是“边际费米液体”行为的标志——这种混沌的、奇异金属特征在著名的铜基超导体中也能见到。这表明镍氧化物和铜酸盐一样“奇异”。
然而，当他们寻找那层雾——伪能隙时，却发现空无一物。在铜材料中，雾通常会阻挡特定角度的电子，从而在能量谱中制造出一个能隙。但在这些镍氧化物中，电子可以在所有方向上自由移动。没有缺失的能量，没有被阻断的路径，也没有通常预示着能隙的电子路径“回弯”现象。即使是在通常在铜化合物中伪能隙最强的未掺杂母体材料中，镍氧化物依然保持着清晰且无能隙的状态。
团队还注意到，虽然电子可以自由移动，但在某些方向上的减速程度仍比其他方向更高。“交通”在材料电子图谱的边缘最为拥挤，导致电子在那里损失能量更快，但道路本身从未关闭。
这一发现表明，混沌的奇异金属行为和超导的潜力并不一定需要伪能隙的存在。镍氧化物证明了，你可以在没有浓雾袭来时，依然享受奇异金属那种狂野、不停歇的派对。这有助于科学家意识到，伪能隙或许并不是高温超导的核心必要成分。相反，关键可能在于电子如何以一种与动量相关的特定方式进行散射和相互作用，而这正是镍氧化物即便在缺乏伪能隙的情况下，仍与铜酸盐所共有的特征。这是一个至关重要的线索，帮助物理学家重写关于这些神奇材料运作规律的规则手册，表明通往超导的路径可能比此前认为的更加灵活。
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