Utafiti unalinganisha miundo-supra minne ya filamu nyembamba za nikelati za Ruddlesden–Popper —1212, 2222, 1313 na 2323— yenye mpangilio wa tabaka za atomu unaodhibitiwa, chini ya mkazo uleule wa epitaksia wa kubana, ili kuchunguza ni sifa gani za muundo wa kielektroni hujitokeza pamoja na usupakondukta. Filamu zilizotengenezwa kwa Gigantic-oxidative atomic-layer-by-layer epitaxy (GAE) zilichanganuliwa kwa usafirishaji wa umeme, induktansi ya kuheshimiana ya koili mbili, STEM/EDS/XRD na spektroskopi ya fotoelektroni yenye utatuzi wa pembe (ARPES). Katika miundo ya 1212 na 2222 mpito wa kisupakondukta ulianza takribani 50 K, na katika muundo wa 2323 ulianza takribani 46 K, ilhali katika filamu ya 1313 usupakondukta haukuonekana. Tofauti ya kielektroni iliyo wazi zaidi ni nafasi ya bendi ya γ yenye tabia ya Ni \(d_{z^2}\) ikilinganishwa na kiwango cha Fermi: katika miundo ya kisupakondukta ya 1212 na 2222, bendi ya γII huunda mfuko wa Fermi wa aina ya tundu karibu na nukta M̅, ilhali katika muundo usio wa kisupakondukta wa 1313 kilele cha bendi bapa ya γIII hubaki takribani 70 meV chini ya kiwango cha Fermi. Muundo wa 2323 nao hubeba bendi zote mbili za γ kwa pamoja. Matokeo yanaonyesha kuwa muundo huu wa kielektroni una uhusiano mkubwa na usupakondukta; hata hivyo nafasi ya bendi ya γ peke yake si uthibitisho wa sababu ya kimaikroskopu ya usupakondukta.

Ni muhimu kutathmini usafirishaji wa umeme pamoja na mwitikio wa sumaku. Katika filamu za 1212, 2222 na 2323, si kushuka kwa upinzani tu kulikoonekana, bali pia mwitikio wa diamagneti wa Meissner kupitia vipimo vya induktansi ya kuheshimiana ya koili mbili. Katika miundo ya 1212, 2222 na 2323 upinzani hushuka chini ya kiwango cha kelele ya majaribio mtawalia karibu 30 K, 25 K na 3,5 K. Muundo wa 2323 pia huonyesha kipengele cha pili cha mpito karibu 18 K, na katika vipimo vya marudio kipengele hiki cha pili huonekana takribani katika masafa ya 10–20 K. Watafiti hufasiri hili kama tabia inayolingana na uwepo wa komponenti mbili za kisupakondukta; chanzo chake cha kina cha kimaikroskopu hakijathibitishwa moja kwa moja.

Maana kwa upande wa Uturuki: Utafiti haukufanywa nchini Uturuki na hautoi utendaji wa matumizi au matokeo ya kiwango cha viwanda yanayoweza kuhamishwa moja kwa moja kwenda Uturuki. Hata hivyo, kwa upande wa ukuaji wa filamu nyembamba za oksidi zenye usahihi wa atomu, ARPES inayotegemea sinkrotroni, mikroskopi ya elektroni ya hali ya juu na ubainishaji wa nyenzo za kwanta, una umuhimu wa kimethodolojia kwa fizikia ya dutu iliyogandamana, nanonyenzo na tafiti za filamu nyembamba za hali ya juu nchini Uturuki. Kuweza kuzalisha tena matokeo hayo katika maabara za Uturuki kunahitaji udhibiti wa kiwango kilekile wa stoikiometria ya kationi/oksijeni, hali zinazofaa za kiunzi mfano wa SrLaAlO4, uhamishaji wa kriyojeni katika utupu wa juu sana, na vipimo vya muundo wa kielektroni vyenye utatuzi mkubwa. Utafiti hauonyeshi kwamba filamu nyembamba za nikelati zinaweza kutumika hivi karibuni katika usafirishaji wa nishati au katika vifaa vya kisupakondukta vya kibiashara.

Swali la msingi la utafiti ni lipi?

Nikelati za Ruddlesden–Popper (RP) ni familia muhimu ya nyenzo kwa kuchunguza asili ya kielektroni ya usupakondukta wa joto la juu. Katika mifumo hii, pamoja na obitali ya Ni \(d_{x^2-y^2}\), obitali ya Ni \(d_{z^2}\) pia hushiriki katika muundo wa kielektroni wa nishati ya chini, jambo linaloitofautisha na mifumo inayofafanuliwa kwa mkabala wa bendi moja iliyo kuu. Swali lililo katikati ya utafiti ni jinsi nyuso za Fermi zinazoundwa na mipangilio tofauti ya tabaka za atomu zinavyohusiana na kutokea kwa usupakondukta.

Ni vigumu kujibu swali hili kwa kulinganisha tu misombo tofauti ya kikemia; kwa sababu utungaji, mkazo, kiasi cha oksijeni, ubora wa filamu na hali ya uso vinaweza kubadilika kwa wakati mmoja. Badala yake, watafiti waliandaa usanifu nne wa tabaka uliodhibitiwa juu ya kiunzi kilekile cha SrLaAlO4, kwa uwiano unaofanana wa La:Pr na chini ya aina ileile ya mkazo wa epitaksia wa kubana. Hivyo kulifanywa ulinganisho wa moja kwa moja kadiri iwezekanavyo kati ya miundo ya 1212, 2222, 1313 na 2323.

Miundo minne ya atomu inatofautianaje?

Muundo wa 1212 ni superstructure ya \((La,Pr)_5Ni_3O_{11}\) inayojumuisha mpangilio mbadala wa vizuizi vya tabaka moja na tabaka mbili. 2222 ni muundo safi wa RP wa tabaka mbili na una utungaji wa \((La,Pr)_3Ni_2O_7\). Katika muundo wa 1313, vizuizi vya tabaka moja na tabaka tatu hubadilishana; jambo la kuvutia ni kwamba utungaji wake wa kikemia ni sawa na 2222, yaani \((La,Pr)_3Ni_2O_7\). Hali hii hufanya ulinganisho kati ya 2222 na 1313 uwe wa thamani maalumu: utungaji wa kikemia ni sawa, lakini mpangilio wa tabaka ni tofauti. 2323 nayo ni superstructure ya \((La,Pr)_7Ni_5O_{17}\) inayounganisha vizuizi vya tabaka mbili na tabaka tatu.

Picha za STEM-HAADF zinaonyesha moja kwa moja mipangilio hii tofauti ya tabaka katika kiwango cha atomu. Ramani za EDS zenye utatuzi wa atomu zinaunga mkono mgawanyo wa tabaka unaotarajiwa wa elementi, huku vipimo vya XRD vikionyesha ubora mkubwa wa kioo wa filamu na kutokuwepo kwa awamu ya pili iliyo wazi katika kiwango cha makroskopu. Mikunjo ya Kiessig karibu na vilele vya difraksheni inalingana na uso laini na mipaka-shirikishi mikali.

Konstanti ya kimiani ya nje ya ndege ya muundo wa 1212 ilibainishwa kuwa 16,78 Å; thamani hii ni takribani %1 ndefu kuliko thamani ya bulk ya 16,575 Å iliyotolewa katika utafiti. Uchambuzi wa STEM-HAADF unaashiria takribani %2 ya mkazo wa kubana ndani ya ndege katika filamu nzima. Konstanti za kimiani za nje ya ndege za miundo ya 2222, 1313 na 2323 zilitolewa mtawalia kuwa 20,75 Å, 20,57 Å na 24,63 Å.

Usupakondukta ulionekana katika miundo ipi?

Filamu za 1212, 2222 na 2323 zilionyesha tabia ya kisupakondukta; filamu ya 1313 haikuwa ya kisupakondukta katika muktadha uleule wa majaribio. Pale ambapo nukta ambayo mviringo wa upinzani hutengana na tabia ya mstari katika hali ya kawaida inafafanuliwa kama \(T_{c,\mathrm{onset}}\), thamani za takribani ni 50 K kwa 1212, 50 K kwa 2222 na 46 K kwa 2323. Watafiti wanasema thamani hizi zinazidi kikomo cha McMillan.

Kipimo cha upinzani hakikutumiwa peke yake. Katika filamu za 1212, 2222 na 2323 mwitikio wa diamagneti wa Meissner pia ulipatikana kwa njia ya induktansi ya kuheshimiana ya koili mbili. Hivyo upinzani mdogo na mwitikio wa sumaku wa kisupakondukta vilitumika kama viashiria viwili huru vya majaribio vinavyosaidiana.

Mpito wa hatua mbili katika muundo wa 2323 una maana gani?

Mviringo wa upinzani wa superstructure ya 2323 una kipengele kinachoutofautisha na sampuli nyingine za kisupakondukta. Mbali na mpito mkuu wa mwanzo karibu 46 K, kuna mpito wa pili unaoonekana karibu 18 K. Katika filamu kadhaa za 2323, kipengele hiki cha pili kilirudiwa takribani katika masafa ya 10–20 K.

Uchambuzi wa uga muhimu wa juu unaotegemea joto na usafirishaji wa kimuundo wa pembe pia unaashiria kuwa muundo wa 2323 unatenda tofauti na 1212 na 2222. Katika utafiti, muundo wa hatua mbili wa data ya \(B_{c,50\%}\) kwa 2323 unashughulikiwa kwa modeli ya bendi mbili ya Gurevich, ilhali kwa 1212 hutumika mkabala wa Ginzburg–Landau. Kulingana na maelezo yanayowezekana ya watafiti, vizuizi vya kati vya tabaka tatu vinaweza kudhoofisha uwiano wa awamu ya kimataifa kati ya vizuizi vya tabaka mbili, na kutokea kwa hali ya upinzani sifuri kamili kunaweza kutegemea komponenti za kisupakondukta zilizounganishwa kupitia tabaka tatu kwa athari ya ukaribu.

Maelezo haya si matokeo yaliyopimwa moja kwa moja na utafiti, bali ni tafsiri ya kifisikia iliyotolewa kueleza tabia ya usafirishaji wa hatua mbili iliyoonekana. Utafiti hauthibitishi kwa uhakika utaratibu huu kwa jaribio huru la kimaikroskopu.

Tofauti muhimu katika uso wa Fermi ni ipi?

Katika vipimo vya ARPES, katika miundo ya kisupakondukta ya 1212, 2222 na 2323 huonekana mfuko wa α wa aina ya elektroni karibu na kituo Γ̅ cha eneo la Brillouin, mfuko wa β wa aina ya tundu karibu na kona ya eneo M̅, na pia komponenti dhahiri ya γ karibu na M̅. Katika filamu ya 1313 isiyo ya kisupakondukta, miundo ya α na β hubaki, lakini mfuko wa γ kwenye uso wa Fermi hupotea.

Katika filamu za 1212 na 2222, bendi ya γII hupanda hadi kiwango cha Fermi na kujiunga na muundo wa uso wa Fermi wa aina ya tundu karibu na M̅. Kinyume chake, katika muundo wa 1313, kwenye spektra za ARPES zilizochukuliwa kwa nishati ya fotoni 153 eV, bendi ya γIII huonekana kama bendi iliyo bapa sana na kilele cha bendi hubaki takribani 70 meV chini ya kiwango cha Fermi \(E_F\).

Muundo wa 2323 ndiyo mfano unaovutia zaidi katika ulinganisho huu. Katika filamu ya kisupakondukta ya 2323, bendi mbili tofauti za γ zinatatuliwa: γII hujiunga na uso wa Fermi kwa namna inayofanana na 1212 na 2222; ilhali γIII hubaki chini ya kiwango cha Fermi kwa namna inayofanana na 1313. Watafiti wanapendekeza tafsiri inayohusisha kipengele cha γII na vizuizi vya tabaka mbili, na kipengele cha γIII na vizuizi vya tabaka tatu, chini ya hali zilizopo za mkazo na uoksidishaji.

Asili ya orbital ya bendi za γ ilibainishwaje?

Katika filamu ya 2323, vipimo vya ARPES vilifanywa katika mwelekeo wa M̅–Γ̅–M̅ kwa fotoni za 103 eV kwa kutumia polarizesheni ya mstari mlalo (LH) na polarizesheni ya mstari wima (LV). Uchaguzi wa elementi ya matriksi wa jiometria ya kipimo hufanya mchango wa obitali ya \(d_{z^2}\) uwe dhahiri zaidi katika polarizesheni ya LV. Mikazo ya spektra inayobadilika na polarizesheni inaunga mkono kwamba bendi za α/β zinahusishwa zaidi na Ni \(d_{x^2-y^2}\), ilhali bendi za γ zinahusishwa na tabia ya Ni \(d_{z^2}\).

Kutopotea kabisa kwa mkazo wa α/β katika polarizesheni ya LV kunahusishwa na watafiti na mchango wa obitali p za oksijeni zilizohibridishwa. Vipimo vya polarizesheni vya filamu za 1212 na 2222 pia huonyesha uchaguzi wa orbital unaofanana, ilhali katika miundo hii bendi tofauti bapa ya γIII haionekani chini ya kiwango cha Fermi.

Kipengele kinachofanana na “Waterfall” kina maana gani?

Katika spektramu ya ARPES ya 1313, karibu na M̅ kuna mkazo mkubwa wa spektra, karibu wima, unaoenea hadi nishati za juu zaidi za kufungamana. Watafiti hufasiri hili kama mkia wa spektra wa “waterfall-like” unaotokana na shimo dogo la aina ya elektroni kwenye kilele cha bendi bapa ya γ na ambao hautegemei sana momentamu. Tabia inayofanana inaonekana pia katika mtawanyiko wa bendi za β katika mwelekeo wa X̅.

Utafiti unapendekeza kwamba tabia hii katika bendi ya γ inaweza kuhusishwa na korelesheni kali za kielektroni za \(d_{z^2}\). Tofauti ya “inaweza” hapa ni muhimu: mwonekano wa waterfall umeonekana kwa majaribio, lakini sababu yake kamili ya kimaikroskopu haijathibitishwa moja kwa moja ndani ya utafiti.

Kwa nini stoikiometria ya oksijeni ni muhimu sana?

Sifa za kielektroni za filamu nyembamba za nikelati ni nyeti sana kwa kiasi cha oksijeni. Kwa hiyo, iwapo vipimo vya ARPES vinavyoathiriwa na uso vinawakilisha muundo halisi wa kielektroni wa kisupakondukta ndani ya filamu ni suala kuu la majaribio. Kama upotevu wa oksijeni unaanzia kwenye uso, tabaka chache za juu za atomu za filamu inayoonekana kuwa ya kisupakondukta katika kipimo cha usafirishaji zinaweza kuonyesha hali tofauti ya kielektroni wakati wa ARPES.

Ili kupunguza hatari hii, watafiti walitengeneza filamu zilizotengwa kwa ARPES siku ileile na chini ya hali zilezile; mara tu ukuaji ulipokamilika, walipoza sampuli haraka hadi chini ya 200 K na kuzihamisha kwenda sinkrotroni kwa mfumo wa usafirishaji wa kriyojeni katika utupu wa juu sana. Sampuli zilihifadhiwa chini ya 200 K katika kipindi chote cha uhamishaji, na wakati wa kipimo cha ARPES halijoto ya kishikio cha sampuli ilidumishwa chini ya 15 K. Itifaki hii inalenga kukandamiza kwa kinetiki mabadiliko ya usanidi wa oksijeni kwenye uso.

Utafiti unaunga mkono nini?

• Katika miundo-supra ya nikelati za Ruddlesden–Popper ya 1212 na 2323, usupakondukta katika shinikizo la mazingira umeonekana kwa vipimo vya umeme na diamagneti.
• Katika filamu za kisupakondukta za 1212, 2222 na 2323 kuna mianzo ya mpito wa kisupakondukta takribani katika masafa ya 46–50 K.
• Filamu ya 1313 iliyo chini ya hali za epitaksia za aina ileile si ya kisupakondukta.
• Kuna tofauti dhahiri katika nafasi ya bendi ya γ yenye asili ya Ni \(d_{z^2}\) ikilinganishwa na kiwango cha Fermi kati ya miundo ya kisupakondukta na isiyo ya kisupakondukta.
• Katika miundo ya 1212 na 2222, γII hujiunga na uso wa Fermi; katika 1313, kilele cha bendi ya γIII kiko takribani 70 meV chini ya kiwango cha Fermi.
• Muundo wa 2323 hubeba kwa pamoja vipengele vya γII na γIII.
• Kuna uhusiano unaoweza kufuatiliwa kwa majaribio kati ya mpangilio wa tabaka za atomu na muundo wa bendi za kielektroni.

Utafiti hauthibitishi nini?

Utafiti unabainisha nafasi ya bendi ya γ yenye asili ya \(d_{z^2}\) ikilinganishwa na kiwango cha Fermi kama mojawapo ya tofauti muhimu za kielektroni kati ya miundo ya kisupakondukta na isiyo ya kisupakondukta; lakini korelesheni hii haithibitishi kwamba bendi ya γ peke yake huunda uoanishaji wa kisupakondukta au inaeleza kikamilifu utaratibu wa kimaikroskopu wa usupakondukta wa joto la juu. Maelezo ya 2323 yanayopendekeza mfumo wa komponenti mbili wenye athari ya ukaribu pia si ushahidi wa moja kwa moja wa utaratibu wa kimaikroskopu.

Utafiti pia hauonyeshi kebo ya viwandani, sumaku, maunzi ya kompyuta ya kwanta au kifaa kingine cha kisupakondukta cha kibiashara. Mifumo iliyochunguzwa ni filamu nyembamba za epitaksia katika kipimo cha nanomita, na matokeo yanatumika chini ya hali zilizotajwa za mkazo, uoksidishaji, kiunzi na uzalishaji.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Filamu nyembamba zilitengenezwa vipi?

Sampuli zote ziliandaliwa juu ya viunzi vya SrLaAlO4 (001) kwa njia ya gigantic-oxidative atomic-layer-by-layer epitaxy (GAE). Katika ukuaji, malengo ya La0.67Pr0.33Ox na NiOy yaliablatiwa kwa leza kwa zamu. Katika miundo-supra ya 1212 na 1313, mpangilio wa ablation ulifuata mpangilio halisi wa tabaka wa muundo wa kioo uliolengwa. Kwa mfano, mlolongo uliotolewa kwa 1212 ni:

[(La,Pr)O–NiO2–(La,Pr)O]–[(La,Pr)O–NiO2–(La,Pr)O–NiO2–(La,Pr)O]

Kabla ya kukuza 2222 na 2323, tabaka la buffer lenye mpangilio wa (La,Pr)O–NiO2–(La,Pr)O lilitumiwa ili kupunguza dosari za interface na kuimarisha usanifu wa tabaka.

Stoikiometria ya kationi ilidhibitiwa kwa kurekebisha idadi ya mipigo ya leza inayohitajika kutengeneza tabaka moja la atomu. Kalibresheni kwa malengo mawili ilifanywa kwa filamu za \((La,Pr)_3Ni_2O_7\) zenye 3 unit cells. Kwa kawaida, mipigo 100–150 ilitumiwa kwa malengo ya La0.67Pr0.33Ox na NiOy, na katika utafiti iliripotiwa kwamba usahihi wa stoikiometria ulikuwa bora kuliko %1.

Halijoto ya ukuaji wa filamu ilikuwa katika masafa ya 760–850 °C. Shinikizo jumla la mchanganyiko wa ozoni iliyosafishwa na oksijeni lilidumishwa 10 Pa, na shinikizo sehemu la ozoni 1–3 Pa. Msongamano wa nishati ya leza ulikuwa 1,4–1,7 J·cm⁻², na marudio 4 Hz. Baada ya uwekaji, sampuli zilipozwa hadi chini ya 100 °C kwa kasi ya 100 °C kwa dakika ili kupunguza upotevu wa oksijeni.

Vipimo vya umeme na sumaku

Elektrodi za Pt Hall-bar ziliundwa kwenye sampuli kwa njia ya magnetron sputtering, na nyaya za alumini ziliunganishwa kwa njia ya ultrasonic wire bonding. Vipimo vya usafirishaji vilifanywa katika kriostati za pulse-tube; uga wa sumaku ulitumika kwa kutumia sumaku ya kisupakondukta. Mwelekeo wa uga ndani ya ndege ulikalibishwa kwa kutumia pembe ya mzunguko ambayo upinzani ulikuwa mdogo zaidi katika uga na halijoto thabiti.

Uthibitisho wa sumaku wa usupakondukta ulifanywa kwa mfumo wa induktansi ya kuheshimiana ya koili mbili. Vipimo hivi vilionyesha kinga ya diamagneti inayoandamana na kushuka kwa upinzani wa umeme.

Matokeo ya msingi ya usafirishaji

Uchambuzi wa uga muhimu wa juu

Vipimo vya usafirishaji vinavyotegemea uga wa sumaku vya filamu za 1212 na 2323 vilifanywa kwa uga sambamba na ndege ya filamu na pia kwa uga wima. Maeneo muhimu yalitolewa kwa kutumia vigezo vya mpito vinavyolingana na %95 na %50 ya upinzani wa hali ya kawaida \(R_N\). Data ya 1212 ilichanganuliwa kwa modeli ya Ginzburg–Landau; data ya \(B_{c,50\%}\) katika muundo wa 2323 unaoonyesha kipengele cha hatua mbili ilichanganuliwa kwa modeli ya bendi mbili ya Gurevich.

Uhusiano uliotumiwa katika utafiti kwa urefu wa koherensi ni:

\[ \xi_0=\sqrt{\frac{\Phi_0}{2\pi B_{c2}}} \]

Hapa \(\xi_0\) humaanisha urefu wa koherensi wa kisupakondukta, \(\Phi_0\) humaanisha kwanta ya flux ya sumaku, na \(B_{c2}\) humaanisha uga muhimu wa juu wa sumaku. Tabia ya halijoto muhimu ya pembe ilitathminiwa kwa modeli ya Tinkham; kwa tabia ya komponenti mbili iliyo wazi katika muundo wa 2323, data ya pembe iligawanywa katika rejimu mbili na ulinganishaji wa vipande ukatumika.

Onyo la uthabiti wa chanzo: Kwa kuwa upangaji wa “ndani ya ndege” na “nje ya ndege” wa thamani za urefu wa koherensi wenye mwelekeo katika maelezo ya Extended Data Figure 5 umetolewa tofauti kati ya maandishi ya arXiv v3 yaliyopakiwa na toleo rasmi la mtandaoni la Nature, makala hii haibadilishi kimya kimya thamani hizo kuwa upangaji mmoja wa mwelekeo. Hitimisho kuu la kisayansi halijajengwa juu ya upangaji huo wenye utata.

Ubainishaji wa XRD, STEM na EDS

Skanu linganifu za XRD θ–2θ zilifanywa kwa kifaa cha Rigaku SmartLab. Sampuli za sehemu-mkataba za STEM ziliandaliwa kwa mfumo wa FEI Helios G4 HX dual-beam FIB/SEM. Upigaji picha wa HAADF-STEM ulifanywa kwenye FEI Themis Z yenye Cs probe corrector katika 200 kV. Katika utafiti, kwa HAADF zimeripotiwa pembe za ndani/nje za ukusanyaji za 90 na 200 mrad, pembe ya nusu-mkaribiano ya 25 mrad na mkondo wa boriti wa takribani 40 pA; kwa uchambuzi wa EDS mkondo wa boriti wa 136 pA umeripotiwa.

Data za EDS za \((La,Pr)_3Ni_2O_7\) zilipatikana kwa mfumo wa Super-X FEI katika modi ya STEM; data za \((La,Pr)_5Ni_3O_{11}\), \((La,Pr)_6Ni_4O_{14}\) na \((La,Pr)_7Ni_5O_{17}\) zilipatikana kwa JEOL ARM200F na mfumo wa Super Dual EDS.

Kipimo cha ARPES kililindwa vipi?

Majaribio ya ARPES yalifanywa kwenye mstari wa boriti wa BL03U wa Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Karibu na nishati ya fotoni ya 100 eV, utatuzi wa nishati ulikuwa bora kuliko 10 meV na shinikizo la msingi la kituo cha kipimo lilikuwa chini ya \(7\times10^{-11}\) Torr.

Mara tu baada ya ukuaji wa filamu, sampuli zilihamishwa kwenda kwenye mfumo wa usafirishaji wa kriyojeni katika utupu wa juu sana wenye shinikizo la msingi chini ya \(5\times10^{-10}\) Torr na halijoto ya msingi takribani 100 K. Sampuli zilishushwa haraka kutoka halijoto ya ukuaji hadi chini ya 200 K na ziliwekwa chini ya 200 K katika uhamishaji wote kutoka chumba cha ukuaji hadi kituo cha ARPES. Wakati wa kipimo, halijoto ya kishikio cha sampuli ilibaki chini ya 15 K.

Katika ramani za uso wa Fermi, nishati tofauti za fotoni zilitumiwa ili kupunguza athari za elementi ya matriksi. Katika 103 eV, mkazo wa spektra wa bendi za β ni dhahiri zaidi; katika 153 eV, mkazo wa spektra wa bendi za γ ni dhahiri zaidi. Watafiti huhusisha tofauti hii kubwa ya mkazo si tu na mtawanyiko wa \(k_z\), bali na sehemu-mikato za fotoemisheni zinazotegemea nishati ya fotoni za obitali tofauti.

Uchambuzi wa data ya ARPES

Mviringo wa mgawanyo wa momentamu (MDC) na mviringo wa mgawanyo wa nishati (EDC) ulichunguzwa kando kando. Profaili za MDC zenye lobu sita katika muundo wa 1212 zilichanganuliwa kwa ulinganishaji wa vilele vingi vya Lorentz. Kwa bendi ya γ inayoonekana chini ya kiwango cha Fermi katika muundo wa 1313, EDC zilifanyiwa ulinganishaji wa kilele cha Lorentz pamoja na usuli wa aina ya Fermi–Dirac. Katika baadhi ya spektra za 1212 na 2222, usuli wa EDC uliopimwa ulitolewa ili kufanya vipengele vionekane wazi zaidi; spektra nyingine zilionyeshwa kama data ghafi.

Katika ramani za uso wa Fermi, dirisha la ujumuishaji wa nishati lilikuwa 50 meV karibu na \(E_F\). Katika ulinganisho mkuu wa ARPES, unene tofauti wa filamu ulitumiwa katika seti tofauti za vipimo; kwa mfano katika Kielelezo 1 cha ulinganisho wa usafirishaji/diamagneti, unene wa 1212, 2222, 1313 na 2323 ulikuwa mtawalia 5, 7, 8 na 8 nm, ilhali katika Kielelezo 3 kinacholinganisha muundo wa bendi za kielektroni ulikuwa 7, 5, 8 na 6 nm. Katika kipimo cha 2323 kinachotegemea polarizesheni, filamu yenye unene wa 5 nm ilitumiwa. Kwa hiyo, data katika vielelezo tofauti haipaswi kutathminiwa kana kwamba ni vipimo vyote vya sampuli moja ya kimwili.

Matokeo makuu ya kielektroni

Kuchunguza miundo minne kwa pamoja kunatoa ulinganisho wenye nguvu zaidi kuliko utofautishaji rahisi wa “kuna/hakuna usupakondukta”. Tofauti kuu ni kwamba katika miundo ya 1212 na 2222 bendi ya γII yenye asili ya \(d_{z^2}\) hufika kwenye kiwango cha Fermi, ilhali katika muundo wa 1313 bendi ya γIII hubaki takribani 70 meV chini. Ukweli kwamba muundo wa 2323 ni wa kisupakondukta ingawa hubeba kwa wakati mmoja vipengele vya γII na γIII pia unaonyesha kwamba kuwepo tu kwa bendi ya γIII chini ya kiwango cha Fermi hakutoshi kuzuia usupakondukta. Kwa mujibu wa data za utafiti, sifa ya pamoja inayotawala katika sampuli za kisupakondukta ni uwepo wa komponenti ya γII inayoshiriki katika uso wa Fermi.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili la awali la utafiti: Superconductivity and Electronic Structures of Nickelate Thin Film Superstructures

Waandishi: Zihao Nie; Yueying Li; Wei Lv; Lizhi Xu; Zhicheng Jiang; Peng Fu; Guangdi Zhou; Wenhua Song; Yaqi Chen; Heng Wang; Haoliang Huang; Junhao Lin; Jin-Feng Jia; Dawei Shen; Peng Li; Qi-Kun Xue; Zhuoyu Chen.

Waandishi waliotoa mchango sawa: Zihao Nie, Yueying Li, Wei Lv, Lizhi Xu na Zhicheng Jiang.

Waandishi wa mawasiliano: Dawei Shen, Peng Li, Qi-Kun Xue na Zhuoyu Chen.

Taasisi: State Key Laboratory of Quantum Functional Materials, Department of Physics, Guangdong Basic Research Center of Excellence for Quantum Science na College of Semiconductors, Southern University of Science and Technology; Quantum Science Center of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area; National Synchrotron Radiation Laboratory na School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China; State Key Laboratory of Micronano Engineering Science, Tsung-Dao Lee Institute & School of Physics and Astronomy pamoja na Key Laboratory of Artificial Structures and Quantum Control, Shanghai Jiao Tong University; Department of Physics, Tsinghua University.

Aina ya chanzo na hali ya uchapishaji: Hati iliyopakiwa iliyotumiwa katika maandalizi ya makala hii ni toleo la hifadhi la arXiv:2509.03502v3. Uwasilishaji wa kwanza wa arXiv ni 3 Septemba 2025, na marekebisho ya v3 ni 13 Aprili 2026. Kazi hiyo hiyo ilipitia tathmini ya wahakiki na kuchapishwa katika Nature kama version-of-record. Kwa hiyo, hali ya sasa ya uchapishaji wa kisayansi wa kazi hii ni makala ya utafiti iliyopitiwa na wahakiki; faili iliyopakiwa yenyewe ni toleo la arXiv.

Uchapishaji uliopitiwa na wahakiki: Nature, juzuu 652, kurasa 628–634, 2026. Tarehe rasmi ya uchapishaji mtandaoni ni 8 Aprili 2026; tarehe ya toleo ni 16 Aprili 2026.

DOI: 10.1038/s41586-026-10352-7

Kitambulisho cha ArXiv: arXiv:2509.03502v3. DataCite DOI iliyotolewa na ArXiv: 10.48550/arXiv.2509.03502.

Kiungo rasmi cha uchapishaji: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10352-7

Rekodi ya ArXiv: https://arxiv.org/abs/2509.03502

Jarida: Nature.

Mchapishaji: Springer Nature / Nature Portfolio.

Dokezo la leseni na matumizi tena: Rekodi ya ArXiv inaunganisha toleo la hifadhi na leseni ya CC BY 4.0. Ukurasa wa version-of-record wa Nature, kwa upande mwingine, unaonyesha haki za kipekee za Springer Nature au mwenye haki husika kwa makala iliyochapishwa. Kwa hiyo masharti ya matumizi tena ya toleo la hifadhi la arXiv na toleo la uchapishaji la Nature yanapaswa kutathminiwa tofauti. Katika makala hii ya Verianla, vielelezo asili vya Nature havijanakiliwa; matokeo makuu ya kiasi yamewasilishwa kwa maandishi na jedwali la HTML huku uaminifu kwa chanzo ukihifadhiwa.

Ufadhili: Kazi iliungwa mkono na programu mbalimbali ikiwa ni pamoja na National Key Research and Development Program of China; National Natural Science Foundation of China; Guangdong Major Project of Basic Research; Quantum Science Strategic Initiative of Guangdong Province; Municipal Funding Co-Construction Program of Shenzhen na Science and Technology Program of Shenzhen. Pia ziliripotiwa msaada kwa Dawei Shen kutoka Anhui Provincial Natural Science Foundation; kwa Junhao Lin kutoka Natural Science Foundation of Guangdong Province; kwa Yueying Li kutoka China Postdoctoral Science Foundation; kwa Zhicheng Jiang kutoka China National Postdoctoral Program for Innovative Talents na Xiaomi Young Talents Program.

Upatikanaji wa data: Chanzo kinaeleza kuwa data za msingi zimetolewa pamoja na makala.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanatangaza kuwa hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Qi-Kun Xue na Zhuoyu Chen walisimamia mradi; Zhuoyu Chen alianzisha kazi na kuratibu shughuli za utafiti. Zihao Nie na Wei Lv walifanya ukuaji wa filamu nyembamba kwa msaada wa Yaqi Chen, chini ya usimamizi wa Guangdi Zhou na Zhuoyu Chen. Yueying Li, Lizhi Xu na Zhicheng Jiang walifanya vipimo vya ARPES kwa msaada wa Wenhua Song na chini ya usimamizi wa Zhuoyu Chen, Peng Li na Dawei Shen. Dawei Shen alitoa ufikiaji wa miundombinu ya ARPES ya sinkrotroni. Peng Fu, Zihao Nie na Haoliang Huang walifanya vipimo na uchambuzi wa STEM/EDS chini ya usimamizi wa Junhao Lin na Zhuoyu Chen. Zihao Nie na Heng Wang walifanya vipimo vya usafirishaji na induktansi ya kuheshimiana. Jin-Feng Jia na waandishi wengine walishiriki katika mijadala. Makala iliandikwa na Zhuoyu Chen, Yueying Li, Zihao Nie na Peng Li kwa michango ya waandishi wengine.

Dokezo la kutolingana ndani ya chanzo: Katika maelezo ya Extended Data Figure 5 ya arXiv v3 iliyopakiwa, urefu wa koherensi wa ndani ya ndege kwa 1212 umeandikwa kuwa 1,76 na 2,42 nm; thamani sambamba za nje ya ndege ni 1,90 na 3,74 nm. Kwa 2323, maelezo ya arXiv v3 yanatoa thamani za ndani ya ndege kuwa 1,87 na 2,29 nm, na thamani za nje ya ndege kuwa 3,42 na 4,51 nm. Katika maelezo ya toleo rasmi la mtandaoni la version-of-record la Nature, upangaji huu wa mwelekeo umetolewa kinyume: kwa 1212 ndani ya ndege 1,90 na 3,74 nm, nje ya ndege 1,76 na 2,42 nm; kwa 2323 ndani ya ndege 3,42 na 4,51 nm, nje ya ndege 1,87 na 2,29 nm. Tofauti hii haikusahihishwa kimya kimya na tafsiri kuu ya kisayansi haijajengwa juu ya upangaji huu wa mwelekeo wenye utata.

Kikomo cha tafsiri ya kisayansi: Hitimisho kuu la utafiti ni kuanzishwa kwa uhusiano wa majaribio kati ya mpangilio wa tabaka za atomu, uso wa Fermi na usupakondukta katika miundo-supra ya RP nikelati iliyodhibitiwa. Nafasi ya bendi ya γ yenye asili ya \(d_{z^2}\) ikilinganishwa na kiwango cha Fermi imetambuliwa kama sifa muhimu ya kielektroni katika kutofautisha miundo ya kisupakondukta na isiyo ya kisupakondukta. Hata hivyo, utafiti hauthibitishi nafasi ya bendi hii kama sababu moja na ya uhakika ya usupakondukta wa joto la juu. Maelezo ya komponenti mbili/proximity yaliyopendekezwa kwa 2323 pia yako katika kiwango cha tafsiri ya kifisikia inayowezekana.

Matokeo ya kisayansi ya maudhui haya ya Verianla yaliandaliwa kwa kuzingatia kazi iliyopakiwa. Vyanzo vya nje vilitumiwa tu kuthibitisha utambulisho wa bibliografia wa uchapishaji, toleo la Nature lililopitiwa na wahakiki, DOI na hali ya leseni; hakuna matokeo mapya ya majaribio au utaratibu kutoka vyanzo vya nje ulioongezwa kwenye simulizi kuu la kisayansi.