Тадқиқот чор суперсохтори плёнкаи тунуки никелати Ruddlesden–Popper-ро —1212, 2222, 1313 ва 2323— ки тартиби қабатҳои атомии онҳо назорат шудааст, дар зери як навъи шиддати фишории эпитаксиалӣ муқоиса мекунад ва месанҷад, ки кадом хусусиятҳои сохтори электронӣ бо фавқулноқилӣ ҳамроҳ пайдо мешаванд. Плёнкаҳое, ки бо Gigantic-oxidative atomic-layer-by-layer epitaxy (GAE) истеҳсол шудаанд, тавассути интиқоли электрикӣ, индуктивияти мутақобилаи ду-ғалтакӣ, STEM/EDS/XRD ва спектроскопияи фотоэлектронии кунҷ-ҳалшуда (ARPES) таҳлил шуданд. Дар сохторҳои 1212 ва 2222 гузариши фавқулноқилӣ тақрибан дар 50 K, дар сохтори 2323 тақрибан дар 46 K оғоз шуд, аммо дар плёнкаи 1313 фавқулноқилӣ мушоҳида нашуд. Фарқи равшантарини электронӣ мавқеи банди γ бо хусусияти Ni \(d_{z^2}\) нисбат ба сатҳи Ферми мебошад: дар сохторҳои фавқулноқили 1212 ва 2222 банди γII дар атрофи нуқтаи M̅ кисаи Фермии сӯрохмонанд ба вуҷуд меорад, дар ҳоле ки дар сохтори ғайрифавқулноқили 1313 қуллаи банди ҳамвори γIII тақрибан 70 meV поёнтар аз сатҳи Ферми мемонад. Сохтори 2323 бошад ҳар ду банди γ-ро ҳамзамон дар бар мегирад. Ёфтаҳо нишон медиҳанд, ки ин сохтори электронӣ бо фавқулноқилӣ робитаи қавӣ дорад; аммо мавқеи банди γ худ ба худ далели сабаби микроскопии фавқулноқилӣ нест.

Арзёбии якҷояи интиқоли электрикӣ ва ҷавоби магнитӣ муҳим аст. Дар плёнкаҳои 1212, 2222 ва 2323 на танҳо коҳиши муқовимат, балки ҷавоби диамагнитии Meissner низ бо ченакҳои индуктивияти мутақобилаи ду-ғалтакӣ мушоҳида шудааст. Дар сохторҳои 1212, 2222 ва 2323 муқовимат мутаносибан тақрибан дар 30 K, 25 K ва 3,5 K аз сатҳи садои таҷрибавӣ поён меравад. Сохтори 2323 инчунин тақрибан дар 18 K хусусияти гузариши дувум нишон медиҳад ва дар ченакҳои такрорӣ ин хусусияти дувум тақрибан дар фосилаи 10–20 K дида мешавад. Муҳаққиқон инро ҳамчун рафторе шарҳ медиҳанд, ки бо мавҷудияти ду компоненти фавқулноқил мувофиқ аст; маншаи муфассали микроскопии он мустақиман исбот нашудааст.

Маънои он аз нигоҳи Туркия: Тадқиқот дар Туркия анҷом дода нашудааст ва натиҷаи иҷроишии татбиқӣ ё миқёси саноатие намедиҳад, ки мустақиман ба Туркия интиқол дода шавад. Бо вуҷуди ин, аз нигоҳи парвариши плёнкаҳои тунуки оксидӣ бо дақиқии атомӣ, ARPES-и асосёфта ба синхротрон, микроскопияи электронии пешрафта ва тавсифи маводи квантӣ барои тадқиқотҳои физикаи моддаи конденсатӣ, наномавод ва плёнкаҳои тунуки пешрафта дар Туркия аҳамияти методологӣ дорад. Барои бозтавлиди натиҷаҳо дар лабораторияҳои Туркия назорати ҳамон сатҳи стехиометрияи катион/оксиген, шароити зерқабати мувофиқи монанд ба SrLaAlO4, интиқоли криогении ултра-вакууми баланд ва ченакҳои сохтори электронии баландҳалкунанда зарур аст. Тадқиқот нишон намедиҳад, ки плёнкаҳои тунуки никелат дар ояндаи наздик дар интиқоли энергия ё дастгоҳҳои фавқулноқили тиҷоратӣ истифода шуда метавонанд.

Саволи асосии тадқиқот чист?

Никелатҳои Ruddlesden–Popper (RP) як оилаи муҳими мавод барои таҳқиқи маншаи электронии фавқулноқилии ҳарорати баланд мебошанд. Дар ин системаҳо, илова бар орбитали Ni \(d_{x^2-y^2}\), иштироки орбитали Ni \(d_{z^2}\) дар сохтори электронии камэнергия онҳоро аз системаҳои бо равиши як банди ҳукмрон тавсифшаванда ҷудо мекунад. Саволи марказии тадқиқот ин аст, ки сатҳҳои Ферми, ки аз тартибҳои гуногуни қабатҳои атомӣ ба вуҷуд меоянд, бо пайдоиши фавқулноқилӣ чӣ гуна пайваст мешаванд.

Ҷавоб додан ба ин савол танҳо тавассути муқоисаи пайвастагиҳои кимиёвии гуногун душвор аст; зеро таркиб, шиддат, миқдори оксиген, сифати плёнка ва ҳолати сатҳ ҳамзамон тағйир ёфта метавонанд. Муҳаққиқон ба ҷойи ин дар рӯйи як зерқабати SrLaAlO4, бо нисбати монанди La:Pr ва дар зери ҳамон навъи шиддати фишории эпитаксиалӣ чор меъмории қабатии назоратшавандаро омода карданд. Ҳамин тавр, байни сохторҳои 1212, 2222, 1313 ва 2323 то ҳадди имкон муқоисаи мустақим анҷом дода шуд.

Чор меъмории атомӣ чӣ гуна фарқ мекунанд?

Сохтори 1212 суперсохтори \((La,Pr)_5Ni_3O_{11}\) мебошад, ки аз ҷойгиршавии навбатии блокҳои якқабата ва дуқабата иборат аст. 2222 сохтори RP-и поки дуқабата мебошад ва таркиби \((La,Pr)_3Ni_2O_7\) дорад. Дар сохтори 1313 блокҳои якқабата ва сеқабата навбат мешаванд; ҷолиб аст, ки таркиби кимиёвии он бо 2222 яксон аст, яъне \((La,Pr)_3Ni_2O_7\). Ин ҳолат муқоисаи 2222 бо 1313-ро махсусан арзишманд мекунад: таркиби кимиёвӣ яксон аст, аммо тартиби қабатҳо фарқ мекунад. 2323 бошад суперсохтори \((La,Pr)_7Ni_5O_{17}\) мебошад, ки блокҳои дуқабата ва сеқабатаро муттаҳид мекунад.

Тасвирҳои STEM-HAADF ин тартибҳои гуногуни қабатиро дар миқёси атомӣ мустақиман нишон медиҳанд. Харитаҳои EDS бо ҳалнокии атомӣ тақсимоти қабатии интизоршудаи элементҳоро дастгирӣ мекунанд, дар ҳоле ки ченакҳои XRD сифати баланди кристаллии плёнкаҳо ва набудани фазаи дувуми равшанро дар миқёси макроскопӣ нишон медиҳанд. Канораҳои Kiessig дар атрофи қуллаҳои дифраксия бо сатҳи ҳамвор ва интерфейсҳои тез мувофиқанд.

Константаи панҷараи берун аз ҳамвории сохтори 1212 ҳамчун 16,78 Å муайян шудааст; ин арзиш аз арзиши bulk-и 16,575 Å, ки дар тадқиқот дода шудааст, тақрибан %1 дарозтар аст. Таҳлили STEM-HAADF ба шиддати фишории дохили ҳамворӣ тақрибан %2 дар тӯли плёнка ишора мекунад. Константаҳои панҷараи берун аз ҳамвории сохторҳои 2222, 1313 ва 2323 мутаносибан 20,75 Å, 20,57 Å ва 24,63 Å дода шудаанд.

Дар кадом сохторҳо фавқулноқилӣ дида шуд?

Плёнкаҳои 1212, 2222 ва 2323 рафтори фавқулноқил нишон доданд; плёнкаи 1313 бошад дар ҳамон контексти таҷрибавӣ фавқулноқил набуд. Вақте нуқтае, ки каҷи муқовимат аз рафтори хаттии ҳолати нормалӣ ҷудо мешавад, ҳамчун \(T_{c,\mathrm{onset}}\) таъриф мешавад, арзишҳои тахминӣ барои 1212 50 K, барои 2222 50 K ва барои 2323 46 K мебошанд. Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки ин арзишҳо аз ҳадди McMillan мегузаранд.

Ченаки муқовимат танҳо истифода нашудааст. Дар плёнкаҳои 1212, 2222 ва 2323 бо усули индуктивияти мутақобилаи ду-ғалтакӣ ҷавоби диамагнитии Meissner низ ба даст оварда шудааст. Ҳамин тавр, муқовимати паст ва ҷавоби магнитии фавқулноқил ҳамчун ду нишондиҳандаи мустақили таҷрибавӣ, ки якдигарро дастгирӣ мекунанд, истифода шудаанд.

Гузариши дуқадамӣ дар сохтори 2323 чиро ифода мекунад?

Каҷи муқовимати суперсохтори 2323 хусусиятеро дорад, ки онро аз дигар намунаҳои фавқулноқил ҷудо мекунад. Илова ба гузариши асосии оғозӣ дар тақрибан 46 K, дар атрофи 18 K гузариши дувум дида мешавад. Дар якчанд плёнкаи 2323 ин хусусияти дувум тақрибан дар фосилаи 10–20 K такрор шудааст.

Таҳлилҳои майдони критикии болоии вобаста ба ҳарорат ва интиқоли кунҷӣ низ нишон медиҳанд, ки сохтори 2323 аз 1212 ва 2222 фарқ мекунад. Дар тадқиқот сохтори дуқадамии маълумоти \(B_{c,50\%}\) барои 2323 бо модели ду-бандии Gurevich баррасӣ мешавад, дар ҳоле ки барои 1212 равиши Ginzburg–Landau истифода шудааст. Тибқи шарҳи эҳтимолии муҳаққиқон, блокҳои мобайнии сеқабата метавонанд ҳамоҳангии фазаи глобалиро байни блокҳои дуқабата суст кунанд ва ба вуҷуд омадани ҳолати муқовимати комилан сифр метавонад ба компонентҳои фавқулноқиле такя кунад, ки тавассути қабатҳои сеқабата бо таъсири наздикӣ пайваст мешаванд.

Ин шарҳ натиҷаи мустақиман ченшудаи тадқиқот нест, балки тафсири физикӣ барои шарҳ додани рафтори дуқадамии интиқоли мушоҳидашуда мебошад. Тадқиқот ин механизмро бо таҷрибаи мустақили микроскопӣ қатъиян тасдиқ намекунад.

Фарқи критикӣ дар сатҳи Ферми чист?

Дар ченакҳои ARPES дар сохторҳои фавқулноқили 1212, 2222 ва 2323 дар атрофи маркази минтақаи Brillouin Γ̅ кисаи электронмонанди α, дар атрофи кунҷи минтақа M̅ кисаи сӯрохмонанди β ва инчунин дар атрофи M̅ компоненти равшани γ дида мешавад. Дар плёнкаи ғайрифавқулноқили 1313 сохторҳои α ва β нигоҳ дошта мешаванд, аммо кисаи γ дар сатҳи Ферми нопадид мешавад.

Дар плёнкаҳои 1212 ва 2222 банди γII то сатҳи Ферми боло рафта, ба сохтори сатҳи Фермии сӯрохмонанд дар атрофи M̅ дохил мешавад. Баръакс, дар сохтори 1313, дар спектрҳои ARPES бо энергияи фотони 153 eV гирифташуда, банди γIII ҳамчун банди хеле ҳамвор дида мешавад ва қуллаи банд тақрибан 70 meV поёнтар аз сатҳи Ферми \(E_F\) мемонад.

Сохтори 2323 ҷолибтарин намунаи ин муқоиса мебошад. Дар плёнкаи фавқулноқили 2323 ду банди ҷудогонаи γ ҳал карда мешаванд: γII, монанди 1212 ва 2222, ба сатҳи Ферми дохил мешавад; γIII бошад, монанди 1313, поёнтар аз сатҳи Ферми мемонад. Муҳаққиқон дар шароити мавҷудаи шиддат ва оксидшавӣ шарҳеро пешниҳод мекунанд, ки хусусияти γII-ро бо блокҳои дуқабата ва хусусияти γIII-ро бо блокҳои сеқабата мепайвандад.

Маншаи орбиталии бандҳои γ чӣ гуна муайян шуд?

Дар плёнкаи 2323 дар самти M̅–Γ̅–M̅ бо фотонҳои 103 eV, бо истифода аз поляризатсияи хаттии уфуқӣ (LH) ва хаттии амудӣ (LV), ченакҳои ARPES анҷом дода шуданд. Интихобияти элементи матритсаи геометрияи ченак дар поляризатсияи LV саҳми орбитали \(d_{z^2}\)-ро равшантар мекунад. Шиддатҳои спектралие, ки бо поляризатсия тағйир меёбанд, дастгирӣ мекунанд, ки бандҳои α/β асосан бо Ni \(d_{x^2-y^2}\), ва бандҳои γ бо хусусияти Ni \(d_{z^2}\) алоқаманданд.

Дар поляризатсияи LV пурра нопадид нашудани шиддати α/β аз ҷониби муҳаққиқон бо саҳми орбиталҳои гибридшудаи оксигени p алоқаманд карда мешавад. Ченакҳои поляризатсияи плёнкаҳои 1212 ва 2222 низ чунин интихобияти орбиталиро нишон медиҳанд, аммо дар ин сохторҳо дар зери сатҳи Ферми банди алоҳидаи ҳамвори γIII дида намешавад.

Хусусияти монанди “Waterfall” чӣ маъно дорад?

Дар спектри ARPES-и 1313 дар наздикии M̅ шиддати спектралии қавӣ ва қариб амудие дида мешавад, ки ба энергияҳои баландтари бастагӣ тӯл мекашад. Муҳаққиқон онро ҳамчун думчаи спектралии “waterfall-like” тафсир мекунанд, ки аз фурӯрафти хурди электронмонанд дар қуллаи банди ҳамвори γ инкишоф меёбад ва аз импулс нисбатан мустақил аст. Рафтори монанд дар паҳншавии бандҳои β дар самти X̅ низ дида мешавад.

Тадқиқот пешниҳод мекунад, ки ин рафтор дар банди γ метавонад бо коррелятсияҳои электронии қавии \(d_{z^2}\) алоқаманд бошад. Фарқи “метавонад” дар ин ҷо муҳим аст: намуди waterfall таҷрибавӣ мушоҳида мешавад, аммо сабаби пурраи микроскопии он дар дохили тадқиқот мустақиман исбот нашудааст.

Чаро стехиометрияи оксиген критикӣ аст?

Хусусиятҳои электронии плёнкаҳои тунуки никелат ба миқдори оксиген ниҳоят ҳассосанд. Аз ин рӯ, оё ченакҳои ARPES, ки ба сатҳ ҳассосанд, сохтори электронии воқеии фавқулноқили дохили плёнкаро намояндагӣ мекунанд ё не, масъалаи асосии таҷрибавӣ мебошад. Агар талафи оксиген аз сатҳ оғоз шавад, чанд қабати болоии атомии плёнкае, ки дар ченаки интиқол фавқулноқил менамояд, ҳангоми ARPES метавонад ҳолати электронии дигар нишон диҳад.

Муҳаққиқон барои коҳиш додани ин хатар плёнкаҳои барои ARPES ҷудошударо дар ҳамон рӯз ва дар ҳамон шароит истеҳсол карданд; баробари анҷоми парвариш намунаҳоро зуд ба поёнтар аз 200 K сард карданд ва онҳоро ба синхротрон тавассути системаи интиқоли криогении ултра-вакууми баланд гузаронданд. Намунаҳо дар тамоми интиқол дар поёнтар аз 200 K нигоҳ дошта шуданд ва дар ченаки ARPES ҳарорати дорандаи намуна дар поёнтар аз 15 K нигоҳ дошта шуд. Ин протокол ҳадаф дорад, ки тағйири конфигуратсияи оксигени сатҳро аз ҷиҳати кинетикӣ фурӯ нишонад.

Тадқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Дар суперсохторҳои никелати Ruddlesden–Popper-и 1212 ва 2323 фавқулноқилӣ дар фишори муҳитӣ бо ченакҳои электрикӣ ва диамагнитӣ мушоҳида шудааст.
• Дар плёнкаҳои фавқулноқили 1212, 2222 ва 2323 оғозҳои гузариши фавқулноқилӣ тақрибан дар фосилаи 46–50 K мавҷуданд.
• Плёнкаи 1313 дар шароити эпитаксиалии ҳамон намуд фавқулноқил нест.
• Байни сохторҳои фавқулноқил ва ғайрифавқулноқил дар мавқеи банди γ-и маншааш Ni \(d_{z^2}\) нисбат ба сатҳи Ферми фарқи равшан мавҷуд аст.
• Дар сохторҳои 1212 ва 2222 γII ба сатҳи Ферми дохил мешавад; дар 1313 қуллаи банди γIII тақрибан 70 meV поёнтар аз сатҳи Ферми аст.
• Сохтори 2323 ҳар ду хусусияти γII ва γIII-ро ҳамзамон дорад.
• Байни тартиби қабатҳои атомӣ ва сохтори бандҳои электронӣ робитаи таҷрибавӣ пайгиришаванда вуҷуд дорад.

Тадқиқот чиро исбот намекунад?

Тадқиқот мавқеи банди γ-и маншааш \(d_{z^2}\)-ро нисбат ба сатҳи Ферми ҳамчун яке аз фарқҳои критикии электронӣ байни сохторҳои фавқулноқил ва ғайрифавқулноқил муайян мекунад; аммо ин коррелятсия исбот намекунад, ки банди γ ба танҳоӣ ҷуфтшавии фавқулноқилро ба вуҷуд меорад ё механизми пурраи микроскопии фавқулноқилии ҳарорати баландро шарҳ медиҳад. Шарҳи ду-компонентии бо таъсири наздикӣ барои 2323 пешниҳодшуда низ далели мустақими механизми микроскопӣ нест.

Тадқиқот инчунин кабели саноатӣ, магнит, таҷҳизоти компютери квантӣ ё дигар дастгоҳи фавқулноқили тиҷоратиро нишон намедиҳад. Системаҳои таҳқиқшуда плёнкаҳои тунуки эпитаксиалии миқёси нанометрӣ мебошанд ва натиҷаҳо дар зери шароити зикршудаи шиддат, оксидшавӣ, зерқабат ва истеҳсолот эътибор доранд.

Усул ва ёфтаҳои тадқиқот

Плёнкаҳои тунук чӣ гуна истеҳсол шуданд?

Ҳама намунаҳо дар рӯйи зерқабатҳои SrLaAlO4 (001) бо усули gigantic-oxidative atomic-layer-by-layer epitaxy (GAE) омода шуданд. Дар парвариш ҳадафҳои La0.67Pr0.33Ox ва NiOy навбат ба навбат бо лазер аблятсия карда шуданд. Дар суперсохторҳои 1212 ва 1313 тартиби аблятсия тартиби воқеии қабатии сохтори кристаллии мақсадро пайравӣ мекард. Масалан барои 1212 тартиби додашуда чунин аст:

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

Пеш аз парвариши 2222 ва 2323 барои кам кардани нуқсонҳои интерфейс ва устувор кардани меъмории қабатӣ қабати буферӣ бо тартиби (La,Pr)O–NiO2–(La,Pr)O истифода шуд.

Стехиометрияи катион бо танзими шумораи зарбаҳои лазерӣ, ки барои сохтани як қабати атомӣ лозиманд, назорат карда шуд. Калибровка барои ду ҳадаф бо плёнкаҳои 3 ҳуҷайраи воҳидии \((La,Pr)_3Ni_2O_7\) анҷом дода шуд. Одатан барои ҳадафҳои La0.67Pr0.33Ox ва NiOy 100–150 зарба истифода шуд ва дар тадқиқот гузориш шудааст, ки дақиқии стехиометрӣ аз %1 беҳтар аст.

Ҳарорати парвариши плёнка дар фосилаи 760–850 °C буд. Фишори умумии омехтаи озони тозашуда ва оксиген 10 Pa, фишори ҷузъии озон 1–3 Pa нигоҳ дошта шуд. Зичии энергияи лазер 1,4–1,7 J·cm⁻², басомади такрор 4 Hz буд. Пас аз таҳшинкунӣ намунаҳо барои коҳиш додани талафи оксиген бо суръати 100 °C дар як дақиқа ба поёнтар аз 100 °C сард карда шуданд.

Ченакҳои электрикӣ ва магнитӣ

Дар намунаҳо бо усули пошиши магнетронӣ электродҳои Pt Hall-bar сохта шуданд ва симҳои алюминий бо усули пайвасти симии ултрасадоӣ пайваст карда шуданд. Ченакҳои интиқол дар криостатҳои pulse-tube анҷом дода шуданд; майдони магнитӣ бо магнити фавқулноқил татбиқ шуд. Самти майдони дохили ҳамворӣ бо истифода аз кунҷи гардише калибр шуд, ки дар майдон ва ҳарорати собит муқовимат ҳадди ақал аст.

Тасдиқи магнитии фавқулноқилӣ бо системаи индуктивияти мутақобилаи ду-ғалтакӣ анҷом дода шуд. Ин ченакҳо экраншавии диамагнитиро, ки бо коҳиши муқовимати электрикӣ ҳамроҳ аст, нишон доданд.

Натиҷаҳои асосии интиқол

Таҳлили майдони критикии болоӣ

Ченакҳои интиқоли вобаста ба майдони магнитии плёнкаҳои 1212 ва 2323 ҳам бо майдонҳои параллел ба ҳамвории плёнка ва ҳам амудӣ иҷро шуданд. Майдонҳои критикӣ бо истифода аз меъёрҳои гузарише бароварда шуданд, ки ба %95 ва %50 муқовимати ҳолати нормалӣ \(R_N\) мувофиқ буданд. Маълумоти 1212 бо модели Ginzburg–Landau; маълумоти \(B_{c,50\%}\)-и сохтори 2323, ки хусусияти дуқадамӣ нишон медиҳад, бо модели ду-бандии Gurevich таҳлил шуд.

Робитае, ки дар тадқиқот барои дарозии когерентӣ истифода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\xi_0\) дарозии когерентии фавқулноқил, \(\Phi_0\) кванти ҷараёни магнитӣ ва \(B_{c2}\) майдони магнитии критикии болоиро ифода мекунад. Рафтори ҳарорати критикии кунҷӣ бо модели Tinkham арзёбӣ шудааст; барои рафтори равшани ду-компонентӣ дар сохтори 2323 маълумоти кунҷӣ ба ду режим ҷудо карда шуда, мувофиқати порчагӣ татбиқ гардидааст.

Огоҳии мувофиқати манбаъ: Азбаски таъиноти “дохили ҳамворӣ” ва “берун аз ҳамворӣ” барои арзишҳои дарозии когерентии самтӣ дар шарҳи Extended Data Figure 5 байни матни боршудаи arXiv v3 ва нусхаи расмии онлайнии Nature гуногун дода шудаанд, ин мақола ин арзишҳоро бесадо ба як таъиноти самтӣ табдил намедиҳад. Натиҷаи асосии илмӣ бар ин таъиноти баҳсбарангез асоснок карда нашудааст.

Тавсифи XRD, STEM ва EDS

Сканҳои симметрии XRD θ–2θ бо дастгоҳи Rigaku SmartLab анҷом дода шуданд. Намунаҳои буриши STEM бо системаи ду-нурии FEI Helios G4 HX FIB/SEM омода шуданд. Тасвиргирии HAADF-STEM дар FEI Themis Z бо ислоҳгари зонди Cs дар 200 kV анҷом дода шуд. Дар тадқиқот барои HAADF кунҷҳои дохилӣ/берунии ҷамъоварии 90 ва 200 mrad, кунҷи нимназдикшавии 25 mrad ва ҷараёни нур тақрибан 40 pA; барои таҳлили EDS ҷараёни нур 136 pA гузориш шудааст.

Маълумоти EDS-и \((La,Pr)_3Ni_2O_7\) дар ҳолати STEM бо системаи Super-X FEI; маълумоти \((La,Pr)_5Ni_3O_{11}\), \((La,Pr)_6Ni_4O_{14}\) ва \((La,Pr)_7Ni_5O_{17}\) бо JEOL ARM200F ва системаи Super Dual EDS ба даст оварда шуданд.

Ченаки ARPES чӣ гуна муҳофизат шуд?

Таҷрибаҳои ARPES дар хатти нури BL03U-и Shanghai Synchrotron Radiation Facility анҷом дода шуданд. Дар атрофи энергияи фотони 100 eV ҳалнокии энергия аз 10 meV беҳтар буд ва фишори асосии истгоҳи ченак аз \(7\times10^{-11}\) Torr пасттар буд.

Баъди парвариши плёнка фавран намунаҳо ба системаи интиқоли криогении ултра-вакууми баланд гузаронда шуданд, ки фишори асосияш аз \(5\times10^{-10}\) Torr пасттар ва ҳарорати асосияш тақрибан 100 K буд. Намунаҳо аз ҳарорати парвариш зуд ба поёнтар аз 200 K оварда шуданд ва аз камераи парвариш то истгоҳи ARPES дар тамоми интиқол дар поёнтар аз 200 K нигоҳ дошта шуданд. Ҳангоми ченак ҳарорати дорандаи намуна аз 15 K пасттар монд.

Дар харитаҳои сатҳи Ферми барои коҳиш додани таъсирҳои элементи матритса энергияҳои гуногуни фотон истифода шуданд. Дар 103 eV шиддати спектралии бандҳои β, дар 153 eV шиддати спектралии бандҳои γ равшантар аст. Муҳаққиқон ин фарқи бузурги шиддатро на танҳо бо дисперсияи \(k_z\), балки бо буришҳои фотоэмиссияи вобаста ба энергияи фотон барои орбиталҳои гуногун мепайванданд.

Таҳлили маълумоти ARPES

Каҷҳои тақсимоти импулс (MDC) ва каҷҳои тақсимоти энергия (EDC) алоҳида баррасӣ шуданд. Профилҳои MDC-и шашлобии сохтори 1212 бо мувофиқати бисёрқуллаи Lorentz таҳлил шуданд. Барои банди γ, ки дар сохтори 1313 дар зери сатҳи Ферми равшан мешавад, EDC-ҳо бо заминаи навъи Fermi–Dirac ба мувофиқати қуллаи Lorentz тобеъ карда шуданд. Дар баъзе спектрҳои 1212 ва 2222 барои равшантар кардани хусусиятҳо заминаи EDC-и ченшуда хориҷ карда шуд; спектрҳои дигар ҳамчун маълумоти хом нишон дода шуданд.

Дар харитаҳои сатҳи Ферми равзанаи интегратсияи энергия дар атрофи \(E_F\) 50 meV буд. Дар муқоисаҳои асосии ARPES дар маҷмӯаҳои гуногуни ченак ғафсиҳои гуногуни плёнка истифода шудаанд; масалан дар Шакли 1, ки ба муқоисаи интиқол/диамагнитӣ дахл дорад, ғафсиҳои 1212, 2222, 1313 ва 2323 мутаносибан 5, 7, 8 ва 8 nm мебошанд, дар ҳоле ки дар Шакли 3, ки сохтори бандҳои электронӣро муқоиса мекунад, 7, 5, 8 ва 6 nm мебошанд. Дар ченаки вобаста ба поляризатсияи 2323 бошад плёнкаи ғафсиаш 5 nm истифода шудааст. Аз ин рӯ, маълумоти шаклҳои гуногун набояд ҳамчун тамоми ченакҳои як намунаи физикӣ арзёбӣ карда шаванд.

Натиҷаи асосии электронӣ

Якҷоя баррасӣ кардани чор сохтор муқоисаи қавитар аз танҳо фарқи “фавқулноқил ҳаст/нест” фароҳам меорад. Фарқи асосӣ он аст, ки дар сохторҳои 1212 ва 2222 банди γII-и маншааш \(d_{z^2}\) ба сатҳи Ферми мерасад, дар ҳоле ки дар сохтори 1313 банди γIII тақрибан 70 meV поёнтар мемонад. Фавқулноқил будани сохтори 2323, бо вуҷуди ҳамзамон доштани хусусиятҳои γII ва γIII, инчунин нишон медиҳад, ки танҳо мавҷудияти банди γIII дар зери сатҳи Ферми барои пешгирии фавқулноқилӣ кофӣ нест. Аз нигоҳи маълумоти тадқиқот, хусусияти муштараки муайянкунанда дар намунаҳои фавқулноқил мавҷуд будани компоненти γII мебошад, ки ба сатҳи Ферми дохил мешавад.

Эзоҳи манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии тадқиқот: Superconductivity and Electronic Structures of Nickelate Thin Film Superstructures

Муаллифон: 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.

Муаллифони саҳми баробар: Zihao Nie, Yueying Li, Wei Lv, Lizhi Xu ва Zhicheng Jiang.

Муаллифони масъул: Dawei Shen, Peng Li, Qi-Kun Xue ва Zhuoyu Chen.

Муассисаҳо: State Key Laboratory of Quantum Functional Materials, Department of Physics, Guangdong Basic Research Center of Excellence for Quantum Science ва College of Semiconductors, Southern University of Science and Technology; Quantum Science Center of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area; National Synchrotron Radiation Laboratory ва 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 ва Key Laboratory of Artificial Structures and Quantum Control, Shanghai Jiao Tong University; Department of Physics, Tsinghua University.

Навъи манбаъ ва ҳолати нашр: Ҳуҷҷати боршуда, ки дар омода кардани ин мақола истифода шудааст, нусхаи репозитории arXiv:2509.03502v3 мебошад. Аввалин супориши arXiv 3 сентябри 2025, бозбинии v3 13 апрели 2026 мебошад. Ҳамин кор баъди арзёбии ҳамтоён дар Nature ҳамчун version-of-record нашр шудааст. Аз ин рӯ, ҳолати кунунии нашри илмии кор мақолаи тадқиқотии ҳамтобинӣшуда аст; худи файли боршуда нусхаи arXiv мебошад.

Нашри ҳамтобинӣшуда: Nature, ҷилди 652, саҳифаҳои 628–634, 2026. Санаи расмии нашри онлайн 8 апрели 2026; санаи шумора 16 апрели 2026.

DOI: 10.1038/s41586-026-10352-7

Шиносаи ArXiv: arXiv:2509.03502v3. DataCite DOI, ки аз ҷониби ArXiv дода шудааст: 10.48550/arXiv.2509.03502.

Пайванди расмии нашр: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10352-7

Сабти ArXiv: https://arxiv.org/abs/2509.03502

Маҷалла: Nature.

Ношир: Springer Nature / Nature Portfolio.

Эзоҳи иҷозатнома ва истифодаи дубора: Сабти ArXiv барои нусхаи репозиторӣ ба иҷозатномаи CC BY 4.0 пайваст аст. Саҳифаи version-of-record-и Nature бошад барои мақолаи нашршуда ҳуқуқҳои истисноии Springer Nature ё соҳиби дахлдори ҳуқуқро нишон медиҳад. Аз ин рӯ, шартҳои истифодаи дубораи нусхаи репозитории arXiv ва нусхаи нашрии Nature бояд ҷудогона арзёбӣ шаванд. Дар ин мақолаи Verianla тасвирҳои аслии Nature нусхабардорӣ нашудаанд; натиҷаҳои асосии миқдорӣ бо нигоҳ доштани садоқат ба манбаъ дар шакли матн ва ҷадвали HTML оварда шудаанд.

Маблағгузорӣ: Кор аз ҷониби 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 ва Science and Technology Program of Shenzhen, аз ҷумла якчанд барнома, дастгирӣ шудааст. Ҳамчунин барои Dawei Shen — Anhui Provincial Natural Science Foundation; барои Junhao Lin — Natural Science Foundation of Guangdong Province; барои Yueying Li — China Postdoctoral Science Foundation; барои Zhicheng Jiang — China National Postdoctoral Program for Innovative Talents ва Xiaomi Young Talents Program дастгирӣҳо гузориш шудаанд.

Дастрасии маълумот: Манбаъ мегӯяд, ки маълумотҳо ҳамроҳи мақола пешниҳод шудаанд.

Ихтилофи манфиатҳо: Муаллифон изҳор мекунанд, ки ихтилофи манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳмҳои муаллифон: Qi-Kun Xue ва Zhuoyu Chen лоиҳаро назорат карданд; Zhuoyu Chen корро оғоз карда, фаъолияти тадқиқотиро ҳамоҳанг намуд. Zihao Nie ва Wei Lv парвариши плёнкаҳои тунукро бо кӯмаки Yaqi Chen ва таҳти назорати Guangdi Zhou ва Zhuoyu Chen анҷом доданд. Yueying Li, Lizhi Xu ва Zhicheng Jiang ченакҳои ARPES-ро бо кӯмаки Wenhua Song ва таҳти назорати Zhuoyu Chen, Peng Li ва Dawei Shen иҷро карданд. Dawei Shen дастрасӣ ба инфрасохтори синхротронии ARPES-ро таъмин кард. Peng Fu, Zihao Nie ва Haoliang Huang ченакҳо ва таҳлилҳои STEM/EDS-ро таҳти назорати Junhao Lin ва Zhuoyu Chen анҷом доданд. Zihao Nie ва Heng Wang ченакҳои интиқол ва индуктивияти мутақобиларо иҷро карданд. Jin-Feng Jia ва дигар муаллифон дар муҳокимаҳо иштирок карданд. Мақоларо Zhuoyu Chen, Yueying Li, Zihao Nie ва Peng Li бо саҳмҳои дигар муаллифон навиштанд.

Эзоҳи носозгории дохили манбаъ: Дар шарҳи Extended Data Figure 5-и arXiv v3 боршуда барои 1212 дарозии когерентии дохили ҳамворӣ 1,76 ва 2,42 nm; арзишҳои мувофиқи берун аз ҳамворӣ 1,90 ва 3,74 nm навишта шудаанд. Барои 2323 шарҳи arXiv v3 арзишҳои дохили ҳамвориро 1,87 ва 2,29 nm, арзишҳои берун аз ҳамвориро 3,42 ва 4,51 nm медиҳад. Дар шарҳи расмии онлайнии version-of-record-и Nature ин таъиноти самтҳо баръакс пешниҳод шудаанд: барои 1212 дохили ҳамворӣ 1,90 ва 3,74 nm, берун аз ҳамворӣ 1,76 ва 2,42 nm; барои 2323 дохили ҳамворӣ 3,42 ва 4,51 nm, берун аз ҳамворӣ 1,87 ва 2,29 nm. Ин фарқ бесадо ислоҳ нашудааст ва тафсири асосии илмӣ ба ин таъиноти баҳсбарангези самтҳо такя намекунад.

Ҳадди тафсири илмӣ: Натиҷаи асосии тадқиқот барқарор кардани робитаи таҷрибавӣ байни тартиби қабатҳои атомӣ, сатҳи Ферми ва фавқулноқилӣ дар суперсохторҳои назоратшудаи RP никелат мебошад. Мавқеи банди γ-и маншааш \(d_{z^2}\) нисбат ба сатҳи Ферми ҳамчун хусусияти критикии электронӣ дар ҷудо кардани сохторҳои фавқулноқил ва ғайрифавқулноқил муайян шудааст. Бо вуҷуди ин, тадқиқот мавқеи ин бандро ҳамчун сабаби ягона ва қатъии фавқулноқилии ҳарорати баланд исбот намекунад. Шарҳи ду-компонентӣ/proximity, ки барои 2323 пешниҳод шудааст, низ дар сатҳи тафсири эҳтимолии физикӣ мемонад.

Ёфтаҳои илмии ин муҳтавои Verianla дар асоси кори боршуда омода шудаанд. Манбаъҳои берунӣ танҳо барои тасдиқи ҳувияти библиографии нашр, нусхаи ҳамтобинӣшудаи Nature, DOI ва ҳолати иҷозатнома истифода шудаанд; аз манбаъҳои берунӣ натиҷаи нави таҷрибавӣ ё механизм ба баёни асосии илмӣ илова нашудааст.