高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐助力鎳基超導(dǎo)體高壓超快光譜研究取得新突破

由于鎳基超導(dǎo)具有與銅酸鹽類似的d電子結(jié)構(gòu)，表明鎳基超導(dǎo)體具有潛在的高溫超導(dǎo)性，因而受到關(guān)注。尤其，近期的研究成果進(jìn)一步支持了這一假設(shè)。中山大學(xué)王猛及其合作者發(fā)現(xiàn)La₃Ni₂O₇單晶在14 GPa及以上的壓力下，顯示出TC≈80 K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。此后，諸多實(shí)驗(yàn)也相繼報(bào)道了它在高壓下的超導(dǎo)性能。然而，其超導(dǎo)機(jī)制尚不清楚，也存在一些爭(zhēng)議。

密度波（DW）序與超導(dǎo)電性之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域一直是被廣泛研究的課題。在La₃Ni₂O₇中，在常壓條件下，當(dāng)溫度降低時(shí)，存在兩種DW轉(zhuǎn)變。在包括共振非彈性X射線散射（RIXS）、μ自旋旋轉(zhuǎn)（μSR）實(shí)驗(yàn)、核磁共振（NMR）等多種實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)確定在150 K左右存在類自旋密度波（SDW）躍遷；而在輸運(yùn)或光導(dǎo)測(cè)量中又存在電荷密度波（CDW）躍遷，躍遷溫度在110至130 K之間。La₃Ni₂O₇中復(fù)雜的DW行為，被認(rèn)為源于多個(gè)主要由Ni d_x2-y2和d_z2兩種e_g軌道貢獻(xiàn)的費(fèi)米表面之間的散射，而該行為受溫度和壓力的影響顯著。因此，深入研究DW有序在壓力下的演化對(duì)于揭示這種鎳酸鹽中超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制至關(guān)重要。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所汪信波及其合作者^[1]，利用德國(guó)ScIDre公司的HKZ型高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐成功制備了La₃Ni₂O₇單晶樣品，并使用超快光學(xué)泵浦探測(cè)光譜技術(shù)，深入探究了雙層鎳酸鹽La₃Ni₂O₇單晶在高達(dá)34.2GPa高壓下的準(zhǔn)粒子動(dòng)力學(xué)。在常壓下，弛豫動(dòng)力學(xué)溫度依賴關(guān)系表現(xiàn)出聲子瓶頸效應(yīng)，這是在151K附近的能隙打開造成的。通過Rothwarf-Taylor模型確定這種類似DW帶隙的能量尺度為66meV。結(jié)合近期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者認(rèn)為常壓低溫下的這種類似DW轉(zhuǎn)變是自旋密度波（SDW）。這種SDW序在13.3GPa之前隨著壓力的增加被顯著抑制，在26GPa附近消失。值得注意的是，在29.4 GPa以上的壓力下，作者觀察到另一種類似DW序的出現(xiàn)，它的轉(zhuǎn)變溫度在大約135K，這可能跟CDW有關(guān)。作者的研究為高壓下類似DW帶隙的變化提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，為La₃Ni₂O₇中DW序與超導(dǎo)電性之間的相關(guān)性提供了關(guān)鍵信息。

圖1：在環(huán)境壓力下泵-探針光譜和提取的參數(shù)。

圖2：20 K時(shí)泵-探針光譜及提取參數(shù)隨壓力的變化關(guān)系，在26 GPa附近DW階消失。

圖3：基于泵浦-探針光譜測(cè)量的La₃Ni₂O₇的溫度-壓力相圖。

       該項(xiàng)研究工作中由德國(guó)ScIDre公司的HKZ型高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐成功制備的La₃Ni₂O₇單晶樣品，相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：O₂氣氛，壓力15bar，5KW氙燈。

高溫高壓光學(xué)浮區(qū)爐

德國(guó)ScIDre公司推出的HKZ系列高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐能夠提供高達(dá)3000℃的生長(zhǎng)溫度，樣品腔壓力可達(dá)300bar，甚至10^-5mbar的高真空。適用于生長(zhǎng)各種超導(dǎo)材料單晶，介電和磁性材料單晶，氧化物及金屬間化合物單晶等。Quantum Design將ScIDre公司先進(jìn)的高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐、高壓氧氣氛退火爐等科研設(shè)備引進(jìn)中國(guó)，更好的為中國(guó)晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。

ScIDre單晶爐特點(diǎn)

? 采用垂直式光路設(shè)計(jì)

? 采用高照度氙燈，多種功率規(guī)格可選

? 采用光闌控制技術(shù)，加熱功率從0-100% 可調(diào)

? 熔區(qū)溫度：高達(dá)2000 - 3000℃（具體取決于材料和配置）

? 熔區(qū)氣壓：10bar、50bar、100bar、150bar、200bar、300bar可選

? 熔區(qū)氣氛：Ar、O₂、N₂、混合氣等可選

? 不同真空環(huán)境可選：10^-2 mbar或 10^-5 mbar

? 豐富的可升級(jí)選件

高溫高壓光學(xué)浮區(qū)法單晶爐外觀圖

參考文獻(xiàn)：

[1]. Meng, Y., Yang, Y., Sun, H. et al. Density-wave-like gap evolution in La₃Ni₂O₇ under high pressure revealed by ultrafast optical spectroscopy. Nature Communications, volume 15, 10408 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-54518-1