超导La2PrNi2O7薄膜中高于上临界场的费米液体输运

为何这块超薄超导体重要

超导体零电阻传输电流，有望实现超高效输电、强磁体和更快的电子器件。新近发现的一类镍基超导体以接近最佳铜氧化物材料的临界温度震惊了物理学家。本研究聚焦于其中一员——超薄La2PrNi2O7薄膜，提出了一个基本而关键的问题：当用强磁场关闭超导态时，其下方存在的“正常”金属是什么性质？

剥离超导层

在许多非常规超导体中，临界温度略上方的正常态表现出高度反常的行为：其电阻常随温度线性增加，这是所谓“奇异金属”的特征。相比之下，普通金属遵循更熟悉的规律——电阻随温度平方增长。为判断La2PrNi2O7薄膜属于哪种情形，研究者使用了极强的脉冲磁场（高达64特斯拉）来抑制超导，从而在1.5开尔文到室温范围内揭示底层的金属性行为。

意外地传统的金属状态

测量表明，一旦超导被淬灭，薄膜表现出经典的费米液体特征——电子样准粒子以良定义的方式传导电流并可预测地相互散射。电阻随着温度趋近绝对零度而近乎完美地遵循温度平方定律。“霍尔角”（衡量载流子在磁场中横向偏转的角度）也呈现相同的二次型温度趋势。此外，磁阻——电阻随磁场变化的量——随磁场强度的平方增长，并在采用称为Kohler标度的标准作图方法时整齐地坍缩到单一曲线上。综合这些特征表明，这是一个相干性高、相互作用强但本质上常规的金属态。

异常的有效质量与各向异性

尽管底层金属呈费米液体样，但它绝非平凡。通过将输运数据与被称为Kadowaki–Woods比率的经验关系结合，作者推断La2PrNi2O7中的载流子行为等同于其有效质量大约为自由电子的十倍。这种“沉重”反映了强烈的电子关联，即电子之间强烈影响彼此的运动。团队还追踪了上临界磁场——摧毁超导所需的磁场强度——如何随温度和磁场方向变化。结果发现，当磁场平行于层面时，薄膜能承受的磁场超过垂直于层面时的两倍，显示出明显的二维特性，类似于著名的高温铜氧化物超导体。

横跨多种量子材料的共同标尺

研究者利用对载流子密度和推断出有效质量的估计，计算了有效费米温度——一个表征底层电子能量尺度的量。他们将超导转变温度与该费米温度的比值，与包括铜酸盐、铁基材料、重费米子化合物、有机超导体和魔角石墨烯在内的多种奇异超导体进行了比较。La2PrNi2O7恰好落在同一经验直线上，即转变温度约为费米温度的5%。这强化了这样的观点：尽管微观机制不同，许多强关联系统的超导体共享一个决定其转变温度尺度的共同组织原则。

对未来超导体的意义

对于非专业读者，关键信息是这块镍酸盐薄膜承载着一种异常稳健的超导态，而其出发点是一种同样反常却有序的金属背景。与混乱的奇异金属不同，正常态表现为一种“重”而强相互作用但纪律良好的费米液体，电子间的散射如此强以至于在高至室温时仍压倒晶格振动的影响。通过确立这一出发点并将La2PrNi2O7置于与其他非常规超导体相同的通用尺度上，工作为理解这一新家族中高温超导的起源提供了坚实基础——并暗示通过精细调控应变或掺杂，可能进一步提升它们的性能。

引用: Hsu, YT., Liu, Y., Kohama, Y. et al. Fermi-liquid transport beyond the upper critical field in superconducting La₂PrNi₂O₇ thin films. Nat Commun 17, 3760 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70250-4

关键词: 镍酸盐超导体, 费米液体, 薄膜, 高磁场, 强关联系统的电子