科研进展 | 无限层镍氧化物超导薄膜中量子涨落驱动态证据——超越泡利极限的各向异性上临界场

我们知道，当磁场强到将电子自旋极化到一个方向时，自旋单态的超导配对模式就难以发生，经验值为1.86Tc，也称为泡利极限。具有超越泡利顺磁极限上临界场（Hc2）的超导体对于基础科学和高场应用都至关重要。无限层镍氧化物超导体的出现为探索这一现象提供了一个新的舞台。虽然早期关于Nd基镍酸盐的研究揭示了各向同性的Hc2 [1]，但随后对La和Pr基镍酸盐的研究显示，Hc2各向异性，并明显违反了泡利极限[2]。这种鲁棒的、违反泡利极限的超导电性给传统的理论提出了一个深刻的难题。有趣的是，最近聂家财教授和刘海文教授团队在各向同性超导体Nd0.8Sr0.2NiO2中观察到量子格里菲斯奇异性（QGS），其相关的量子涨落定量解释了低温Hc2的上升[3]。因此，这一关键发现引发了一个核心问题，即QGS相是否也可以解释其他镍酸盐中复杂的、各向异性的泡利极限违反。因此，研究镍基超导体中各向异性的超导-金属转变（SMT），对于检验QGS的普遍性以及确定它是否是解决镍基超导泡利极限难题的关键至关重要。

近日，聂家财教授和刘海文教授团队首次在La0.8Sr0.2NiO2薄膜中发现了QGS导致的泡利极限违反。上临界场Hc2在超低温下有明显的各向异性和异常的上升，表现出各向异性的SMT（图1）。零温附近的标度分析表明，这种SMT的量子临界点揭示了由淬灭无序引起的QGS，其特征是动态临界指数发散（图2）。这些QGS诱导的量子涨落为异常的Hc2上升提供了起源，并揭示了泡利极限违反的关键内在机制。该发现建立了一种微观机制，其中重费米子质量重整化抑制了轨道对断裂，使无序增强的量子涨落能够保持远超泡利极限的超导电性。该研究结果有助于揭示该系统中非常规的超导机制。

相关成果近日以“Anisotropic Upper Critical Field beyond the Pauli Limit in a Nickelate Superconductor: Evidence for a Quantum Fluctuation-Driven State”为题刊发在国际著名期刊Physical Review Letters上[4]，并被选为Editors’Suggestion。北京师范大学的博士生王雪妍为第一作者。北京师范大学的聂家财教授和刘海文教授为本文通讯作者。参与本工作的还包括北京师范大学的窦瑞芬教授、熊昌民教授，珠海校区文理学院的本科生麦梓明以及北京师范大学的研究生陈承雪、赵强、杨文龙、朱芳慧和严媚玲。

这项工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究项目、广东省量子科学战略专项、北京市自然科学基金重点研究专题等项目的经费支持，以及中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的技术支持。

图1 | (a)垂直和(b)面内磁场下的等磁Rs(T)曲线。(c)垂直和(d)面内磁场下，不同电阻分数下的上临界场随温度的变化。(e)垂直和(f)面内磁场下，归一化上临界场Hc2/Hp（泡利极限，Hp=1.86×Tcn%）随温度的变化。

图2 | (a)垂直和(b)面内磁场下方块电阻Rs与磁场B的关系曲线。(c)垂直和(d)面内磁场下，有限尺寸标度分析给出的临界指数z。红色实线为基于激活标度定律的拟合曲线，水平的虚线表示z=1。

[1] B. Y. Wang, D. F. Li, B. H. Goodge, K. Lee, M. Osada, S. P. Harvey, L. F. Kourkoutis, M. R. Beasley, and H. Y. Hwang, Isotropic Pauli-limited superconductivity in the infinite-layer nickelate Nd0.775Sr0.225NiO2. Nat. Phys. 17, 473 (2021).

[2] B. Y. Wang, T. C. Wang, Y. T. Hsu, M. Osada, K. Lee, C. J. Jia, C. Duffy, D. F. Li, J. Fowlie, M. R. Beasley, et al., Effects of rare-earth magnetism on the superconducting upper critical field in infinite-layer nickelates. Sci. Adv. 9, eadf6655 (2023).

[3] Q. Zhao, T.N. Shao, W.L. Yang, X. Y. Wang, X. Y. Chen, M. H. Chen, F. H. Zhu, C. X. Chen, R. F. Dou, C. M. Xiong, H. W. Liu*, and J. C. Nie*, Isotropic quantum Griffiths singularity in Nd0.8Sr0.2NiO2 infinite-layer superconducting thin films, Phys. Rev. Lett. 133, 036003 (2024).

[4] X. Y. Wang, C. X. Chen, Z. M. Mai, Q. Zhao, W. L. Yang, F. H. Zhu, M. L. Yan, R. F. Dou, C. M. Xiong, H. W. Liu*, and J. C. Nie*, Anisotropic Upper Critical Field beyond the Pauli Limit in a Nickelate Superconductor: Evidence for a Quantum Fluctuation-Driven State. Phys. Rev. Lett. 136, 106002 (2026).

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/P