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3月2日，电子科技大学物理学院教授乔梁团队在超导新材料研究领域取得重大突破，发现了无限层镍氧化物超导体（镍基超导）超导电性的关键性元素（H）和奇异电子态（间隙位s轨道），为镍基超导领域的发展开辟了崭新的思路。研究结果在线发表于《自然》。
镍基超导是当前凝聚态物理的前沿领域，具有重要的科学意义。在当前基于铜氧化物的高温超导（铜基超导）研究陷入瓶颈的情况下，对类铜结构的无限层镍氧化物超导电性的深入研究，对于揭示高温超导的本征物理机制和新一代超导技术的发展具有重要推动作用。自2019年美国斯坦福大学Hwang教授课题组率先在基于无限层结构的镍氧化物外延薄膜（Nd0.8Sr0.2NiO2）中发现了超导电性以来，镍基超导领域的发展并不顺利。虽然镍基超导的一些新现象相继被报道，但其超导的起源之谜和样品制备难度大、不同课题组间的重现性差，成为困扰该领域的两大难题，制约着镍基超导领域的发展。
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在科学历史上，H元素曾经制造过几起著名的“悬疑事件”。典型的例子就是基于GaN的蓝光二极管（LED）的故事。早在上世纪80年代，制造蓝光LED的主要技术限制是缺乏稳定且有效的P型GaN。在实验科学家们通过技术途径在Mg掺杂的GaN中实现了P型导电和蓝光LED后若干年，理论科学家才揭开了这个谜团：一方面，H通过形成Mg Ga-H“缺陷对”，有助于稳定P型掺杂GaN的晶格结构；另一方面，H离子的介入“暗中”补偿了Mg Ga缺陷诱导的空穴掺杂效果，导致P型掺杂的GaN不导电。而发现“隐藏的”H元素、并进一步克服H元素带来的问题，成为成功实现蓝光LED 产业化的关键，也带我们进入了当今五彩缤纷的LED时代。
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H元素对无限层镍氧化物超导电性是否有影响呢？该团队通过极低温强磁场输运性质研究发现，在Sr含量不变的情况下，通过调控H元素的含量，可以实现“弱绝缘→超导→弱绝缘”的连续相变，说明H元素的确对超导电性的出现有关键的作用。进一步，这些结果可以解释为什么镍基超导外延薄膜的生长如此困难，在世界范围内仅有少数课题组可以成功制备零电阻超导样品，而且样品重复性差。主要原因就是之前不同课题组的实验，有可能没有考虑到H元素的存在对超导的影响，没有精确控制样品的H含量。
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这表明，H元素就像一只“看不见的手” ，在无限层结构镍基氧化外延单晶薄膜的制备过程中悄悄地起到改变费米面电子结构的作用，并在镍基材料超导电性的产生过程中扮演着关键性的角色。该研究结果纠正了我们对该类材料电子结构的认识，为理解镍基超导的物理起源提供了关键信息，也为未来的深入理解镍基超导的相关物理和材料性能，提供了准确的物理模型。
物理学院为第一完成单位，物理学院2019级博士生丁翔为该论文的第一作者。该研究得到了来自英国Diamond光源、北京计算科学研究中心、成都大学、北京大学和澳大利亚新南威尔士大学等课题组的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05657-2
