【儀表網 研發快訊】探尋高溫超導體是凝聚態物理的一個關鍵科學問題。與三維和二維超導體相比，準一維超導體通常對應顯著更低的超導轉變溫度(Tc)。一個重要原因是準一維體系往往具有很強的配對漲落效應，將破壞超導長程序，導致極低的Tc。此外，準一維體系普遍存在電子不穩定性等問題，將產生競爭相并抑制超導。因此，在真實材料體系中實現高溫準一維超導體面臨巨大挑戰。
圖1.基于多軌道弱耦合鏈構筑高溫準一維超導體。(a-d)單(類型)軌道實現的劣勢(e，f)多軌道實現的優勢。其多軌道物理包括利用軌道間自摻雜抑制Peierls不穩定性和達到理想帶邊配對條件，以及借助多軌道能帶交叉產生強帶間配對以抑制配對漲落
近日，清華大學物理系徐勇、段文暉研究組與北京航空航天大學司晨課題組針對上述問題，提出了利用多軌道弱耦合鏈構筑高溫準一維超導體的理論方案(圖1)。該方案基于不同軌道間的自摻雜效應、多軌道能帶交叉誘導的強帶間配對等物理機制，可同時抑制Peierls不穩定性、削弱配對漲落效應，并提升超導配對強度，從而實現魯棒的高溫準一維超導電性。原理上，該方案普適于具有多軌道特性的不同材料體系，如弱耦合鏈狀晶體和納米線陣列，為實現高溫準一維超導體開辟了新途徑。
圖2.鏈狀NaBe的材料實現。(a)晶體結構(b)由多軌道構成的準一維+三維復合費米面(c)摻雜超導相圖。橫坐標為化學勢，縱坐標為電聲耦合強度
通過第一性原理Eliashberg理論計算，研究團隊預言了候選材料體系——鏈狀NaBe(圖2)。在強帶間耦合保證的魯棒配對下，NaBe的預測Tc能達到創紀錄的17.2K。通過摻雜和壓力相圖的預測，團隊還揭示出NaBe中獨特的超導增強機制，使得其Tc能進一步提升至20K以上。該工作不僅為尋找高溫準一維超導體提供了新思路，也有望促進準一維超導相關的器件應用，如微型超導納米電路等。
12月6日，相關研究成果以“以多軌道鏈實現強魯棒準一維超導體：NaBe為例”(Realizing Strong and Robust Quasi-1D Superconductors via Multiorbital Chains: NaBe as an Example)為題，發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
清華大學物理系教授徐勇和北京航空航天大學副教授司晨為論文的通訊作者，研究組博士后董文翰為論文第一作者。合作者包括清華大學物理系教授段文暉。研究得到基礎科學研究中心、國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、量子科學與技術創新計劃、北京市未來芯片技術高精尖創新中心、北京材料基因工程高精尖創新中心、國家資助博士后研究人員計劃、天津超算中心等項目單位的支持。
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