探寻高温超导体是凝聚态物理的一个关键科学问题。与三维和二维超导体相比，准一维超导体通常对应显著更低的超导转变温度（Tc）。一个重要原因是准一维体系往往具有很强的配对涨落效应，将破坏超导长程序，导致极低的Tc。此外，准一维体系普遍存在电子不稳定性等问题，将产生竞争相并抑制超导。因此，在真实材料体系中实现高温准一维超导体面临巨大挑战。
图1.基于多轨道弱耦合链构筑高温准一维超导体。（a-d）单（类型）轨道实现的劣势（e，f）多轨道实现的优势。其多轨道物理包括利用轨道间自掺杂抑制Peierls不稳定性和达到理想带边配对条件，以及借助多轨道能带交叉产生强带间配对以抑制配对涨落
近日，清华大学物理系徐勇、段文晖研究组与北京航空航天大学司晨课题组针对上述问题，提出了利用多轨道弱耦合链构筑高温准一维超导体的理论方案（图1）。该方案基于不同轨道间的自掺杂效应、多轨道能带交叉诱导的强带间配对等物理机制，可同时抑制Peierls不稳定性、削弱配对涨落效应，并提升超导配对强度，从而实现鲁棒的高温准一维超导电性。原理上，该方案普适于具有多轨道特性的不同材料体系，如弱耦合链状晶体和纳米线阵列，为实现高温准一维超导体开辟了新途径。
图2.链状NaBe的材料实现。（a）晶体结构（b）由多轨道构成的准一维+三维复合费米面（c）掺杂超导相图。横坐标为化学势，纵坐标为电声耦合强度
通过第一性原理Eliashberg理论计算，研究团队预言了候选材料体系——链状NaBe（图2）。在强带间耦合保证的鲁棒配对下，NaBe的预测Tc能达到创纪录的17.2K。通过掺杂和压力相图的预测，团队还揭示出NaBe中独特的超导增强机制，使得其Tc能进一步提升至20K以上。该工作不仅为寻找高温准一维超导体提供了新思路，也有望促进准一维超导相关的器件应用，如微型超导纳米电路等。
12月6日，相关研究成果以“以多轨道链实现强鲁棒准一维超导体：NaBe为例”（Realizing Strong and Robust Quasi-1D Superconductors via Multiorbital Chains: NaBe as an Example）为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
清华大学物理系教授徐勇和北京航空航天大学副教授司晨为论文的通讯作者，研究组博士后董文翰为论文第一作者。合作者包括清华大学物理系教授段文晖。研究得到基础科学研究中心、国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、量子科学与技术创新计划、北京市未来芯片技术高精尖创新中心、北京材料基因工程高精尖创新中心、国家资助博士后研究人员计划、天津超算中心等项目单位的支持。
