Ученые раскрыли трехмерную электронную структуру сверхпроводящих двуслойных пленок оксида никеля

Исследовательская группа Южного научно-технического университета (SUSTech) совместно с Научно-техническим университетом Китая, Шанхайским университетом Цзяо Тун и Университетом Цинхуа опубликовала в Physical Review X работу, в которой с помощью аннигиляционной фотоэлектронной спектроскопии с переменной энергией фотонов (ARPES) систематически расшифрована трехмерная электронная структура сверхпроводящих при атмосферном давлении пленок (La,Pr,Sm)3Ni2O7. Показано, что разные орбитали обладают разной размерностью, а в гамма-зоне, доминируемой dz2-орбиталью, обнаружен сверхпроводящий зазор около 18 миллиэлектронвольт (мэВ).

Купратные высокотемпературные сверхпроводники обычно считаются квазидвумерными системами, тогда как недавно открытые двуслойные никелаты Ruddlesden-Popper имеют вблизи уровня Ферми орбитали dx2-y2 и dz2, и межслоевая связь может напрямую участвовать в спаривании. Поэтому ключевым стал вопрос, является ли третье измерение малой поправкой или существенной степенью свободы; особенно спорно, пересекает ли гамма-зона уровень Ферми, как эволюционирует по внеплоскостному импульсу и участвует ли в сверхпроводимости. Обычные аннигиляционные фотоэлектронные спектроскопии (ARPES) с одной энергией фотонов дают лишь сечение при некотором kz и чувствительны к потере кислорода. Команда вырастила качественные пленки (La,Pr,Sm)3Ni2O7/SrLaAlO4 методом сверхсильной окислительной атомно-слоевой эпитаксии, подтвердила послойный рост и высокую кристалличность; транспорт показал начало сверхпроводимости около 48 кельвинов (K). После роста образцы быстро охлаждали ниже 200 кельвинов (K) и через низкотемпературную сверхвысоковакуумную трансферную камеру доставляли на синхротронную ARPES-станцию, минимизируя потерю кислорода.

Измерения показали: зоны от dx2-y2 слабо меняются вдоль kz и остаются квазидвумерными; напротив, гамма-зона от dz2 имеет ясную kz-дисперсию и непрерывно пересекает уровень Ферми в измеренном трехмерном импульсном пространстве. Это означает, что двуслойные никелаты нельзя сводить к строго двумерной системе. Ослабление или исчезновение спектральной интенсивности гамма-зоны при некоторых энергиях фотонов объясняется матричными элементами, а не исчезновением с поверхности Ферми. Вдоль нескольких высокосимметричных направлений для альфа, бета и гамма зон найдены конечные щели, что поддерживает картину спаривания без узлов. Для гамма-зоны при 9,5 кельвинах (K) зазор составил около 18 миллиэлектронвольт (мэВ), приведенная щель 2Δ/kBTc ≈ 8 значительно выше классических 3,5 слабой связи BCS (теория Бардина — Купера — Шриффера), что подтверждает участие dz2 в спаривании и сильную связь. Подавление спектрального веса гамма-зоны вблизи уровня Ферми сохраняется выше Tc (температуры перехода в сверхпроводящее состояние) и вплоть до ~90 кельвинов (K), указывая на возможное псевдощелевое поведение. Работа выстраивает непрерывную экспериментальную цепочку от трехмерной поверхности Ферми и орбитально-разрешенной дисперсии до сверхпроводящей щели; это требует от теорий выйти за строго двумерное приближение и единообразно учитывать двуслойную структуру, внеплоскостную орбитальную связь и многоорбитальные электронные корреляции.