高温超导机理是凝聚态领域最重要的未解之谜。自铜氧化物高温超导在1986年发现以来，人们致力在镍氧化物中寻找和构建类似的高温超导，经过长期研究，直到2019年终于在无限层结构的镍氧化物中实现了镍基超导。这引起了超导领域极大的关注，并为研究高温超导机理这一极具挑战的问题提供了一个全新的材料平台，对比探究镍基与铜基超导的电子结构异同点是首要需要解决的问题。然而该镍基超导体系的制备困难，为该体系的实验研究带来挑战。更具挑战的是，样品表面容易产生非晶层，这为表面敏感实验手段的研究带来了极大的困难。特别是可直接测量电子能带结构的角分辨光电子能谱（ARPES），在铜基和铁基高温超导中发挥了关键作用，却一直无法用于镍基超导的研究。由于自发现5年来一直缺乏电子结构的实验，许多镍基超导的理论图像难以验证，在很多基本的问题上依然存在争议，如费米面结构、贡献费米面的轨道成分等。
图1：(a-b) 镍基超导母体与最佳掺杂相的费米面，(c) 镍基与铜基在3dx2-y2能带掺杂相图方面的差异，(d) 实验得到的镍基超导的三维费米面示意图。
近五年来，我们对镍基超导的制备进行了长期的优化，通过氧化物分子束外延生长得到高质量的钙钛矿结构前驱体，发展出了原位还原技术，最终优化获得了迄今表面质量最佳的无限层镍基超导体。基于此，研究团队利用ARPES首次成功实现了对于母体化合物和最佳掺杂超导相的比较研究，率先揭示了镍氧化物母体及超导体的费米面和电子结构[图1(a-b)]。实验发现镍基与铜氧化物超导的电子态在a带的费米面拓扑结构、轨道构型、鞍点色散行为、waterfall行为、及准二维性等各方面存在相似性，同时也呈现了与铜氧化物之间在自掺杂效应、母体电子结构、超导dome的掺杂区间等各方面存在差异[图1(c-d)]，这对于寻找非常规超导电性的普遍规律至关重要。该研究首次开辟了探测无限层镍基超导表面的可行路径，其实验方法还可扩展至利用其他多种表面敏感技术研究镍基超导家族。这项工作标志着在镍基超导微观理解上的重要进展，同时也为高温超导的理解提供了新的启示。此成果已经发表于《国家科学评论》（doi.org/10.1093/nsr/nwae194），标题为 “Cuprate-like Electronic Structures in Infinite-layer Nickelates with Substantial Hole Dopings”，丁翔、樊钰为共同第一作者，徐海超副研究员、彭瑞研究员和封东来教授为共同通讯作者。
