欠掺杂无限层镍酸盐超导薄膜中的Kondo散射

北京师范大学、中国科学院物理所和清华大学的团队在《国家科学评论》2023年11期发表了标题为“Kondo scattering in underdoped Nd _1−x Sr _x NiO ₂ infinite-layer superconducting thin films”的研究论文，共同作者为聂家财，杨义峰，张广铭和刘海文教授。

与铜氧化物中的反铁磁序不同，超导镍酸盐的母体化合物在中子衍射和缪子自旋测量中均未观察到静态长程磁序。此外，与铜氧化物中的掺杂空穴主要位于氧原子不同，镍酸盐中的掺杂空穴主要位于镍的3d _x2−y2 轨道。此外，无限层镍酸盐块体中不存在超导性，尽管施加高压可以显著抑制其绝缘行为。特别地，欠掺杂镍酸盐，与铜氧化物不同，其电阻率在高温下表现出金属性，在低温下表现出弱绝缘行为。因此，关于铜氧化物和镍酸盐中空穴掺杂的超导机制是否相同存在疑问。

该文研究了欠掺杂无限层Nd _1−x Sr _x NiO ₂ 薄膜的正常态输运性质，实验证据表明欠掺杂无限层Nd _{1- x} Sr _x NiO ₂ 薄膜中存在近藤散射效应。欠掺杂样品的纵向电阻率和霍尔电阻率均出现与lnT相关的电阻率极小值（图1）。在极低温下，电阻率随温度降低趋于饱和，与近藤模型的预测一致。反常霍尔电导率 s ^AHE _xy 与纵向电导率 s _xx 之间存在线性标度行为。在磁场下的电导修正表明在低温下近藤散射占主导地位，弱局域化/反弱局域化效应是次要的。

图1：欠掺杂Nd _1-x Sr _x NiO ₂ 电阻率随温度的变化

研究人员还使用了数值重整化群（NRG）和非交叉近似（NCA）方法对实验数据进行了拟合，并与Hamann模型进行了比较，验证了Kondo散射模型对实验结果的解释。他们还通过测量磁场下的电导率来分析电子相干性的温度依赖性，并观察到与Kondo散射一致的线性温度依赖性。此外，他们还研究了霍尔效应在不同温度和磁场下的行为，并发现霍尔系数在低温下呈现出Curie-Weiss定律的温度依赖性。综上，研究人员在欠掺杂无限层Nd _{1- x} Sr _x NiO ₂ 薄膜中发现了近藤散射效应。该实验结果有助于阐明欠掺杂无限层Nd _{1- x} Sr _x NiO ₂ 超导薄膜的基本物理性质，镍基超导母体中长程反铁磁序的缺失可能与Ni-3d轨道的自掺杂和近藤效应有关。