最新成果：鎳氧化物電子的行為被揭示，或?qū)⒛苷业礁邷爻瑢?dǎo)體！

日本理化學(xué)研究所的物理學(xué)家計(jì)算揭示了鎳氧化物材料中電子的行為，這可能有助于尋找高溫超導(dǎo)體。超導(dǎo)體可以無電阻地?cái)y帶電流，被用來制造強(qiáng)大的電磁鐵或測(cè)量磁場(chǎng)的靈敏儀器。傳統(tǒng)超導(dǎo)電性依賴于一種只有在極低溫度下才會(huì)發(fā)生的電子配對(duì)形式，因此超導(dǎo)設(shè)備必須用昂貴的液化氣來冷卻。但大約30年前，研究人員發(fā)現(xiàn)，一些銅酸鹽材料可以在相對(duì)溫暖的溫度下成為超導(dǎo)體。

最高可達(dá)?140攝氏度，這種高溫超導(dǎo)的根本原因仍不清楚。2019年研究人員發(fā)現(xiàn)，摻鍶的釹鎳氧化物(Nd0.8Sr0.2NiO2)可以在?258攝氏度以下超導(dǎo)。這一發(fā)現(xiàn)之所以引起科學(xué)家的注意，不是因?yàn)闇囟龋且驗(yàn)檫@種鎳酸鹽材料的晶體結(jié)構(gòu)與銅酸鹽非常相似，可以作為一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，更好地了解這些材料的超導(dǎo)工作原理，鎳酸鹽材料由Nd和NiO2交替層組成。

日本理化學(xué)研究所應(yīng)急物質(zhì)科學(xué)中心的野村裕介和同事們現(xiàn)在研究了這兩層中某些電子之間的相互作用如何影響超導(dǎo)電性。該團(tuán)隊(duì)的計(jì)算顯示，NiO2層中的電子相互作用很強(qiáng)，這類似于CuO2層中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)被認(rèn)為在其高溫超導(dǎo)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，在鎳酸鹽和銅酸鹽之間有一個(gè)不同之處：在鎳酸鹽中，釹層中的電子被部分占據(jù)并形成費(fèi)米袋。費(fèi)米袋是布里淵區(qū)中被費(fèi)米面包圍的一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域，這些口袋不會(huì)出現(xiàn)在銅酸鹽中。

這可能會(huì)使這種含鎳材料不是銅酸鹽的完美類似物。研究團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算模型來研究是否可以通過調(diào)整材料的化學(xué)成分來消除口袋，從而創(chuàng)建一種與銅酸鹽更匹配的鎳酸鹽。發(fā)現(xiàn)有兩種化合物可以滿足要求：氧化釹鈉(NaNd2NiO4)和氧化鈣鎳鈉(NaCa2NiO3)。研究人員表示：如果鎳酸鹽被合成，它們將是真正的銅酸鹽超導(dǎo)體的鎳類似物。研究的下一步是以更系統(tǒng)的方式，證明鎳酸鹽和銅酸鹽之間的區(qū)別和相似之處，并對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的超導(dǎo)機(jī)制有更深入的了解。

（上圖所示）電子在穿過鎳酸鹽材料的NiO2層時(shí)相互作用很強(qiáng)，這可以作為高溫超導(dǎo)(鎳=灰色，氧=紅色)的模型。圖片：RIKEN Center for Emergent Matter Science

受無限層鎳酸鹽Nd0.8Sr0.2NiO2中超導(dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，研究了NiO2層中關(guān)聯(lián)的Ni3dx2?y2電子如何與Nd層中的電子相互作用。研究結(jié)果表明，表示費(fèi)米能級(jí)附近的電子結(jié)構(gòu)需要三個(gè)軌道：Ni3dx2?y2，Nd5d3z2?R2，以及由Nd層中的間隙s軌道和Nd5dxy軌道組成的成鍵軌道。通過建立這些態(tài)的三軌道模型，研究發(fā)現(xiàn)Ni3dx2?y2態(tài)與Nd層中的態(tài)之間的雜化很小。

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，Nd層的金屬屏蔽效果不是很好，因?yàn)樗皇筃i3dx2?y2電子之間的Hubbard U降低了10%-20%。另一方面，電-聲子耦合不足以調(diào)節(jié)Tc-～10K的超導(dǎo)電性。NdNiO_2擁有一個(gè)幾乎孤立的關(guān)聯(lián)3dx2-?-y2軌道系統(tǒng)。還進(jìn)一步研究了在Mott-Hubbard區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更理想單軌道系統(tǒng)的可能性。當(dāng)間隙s態(tài)和Nd5dxy態(tài)之間的雜化變小時(shí)，由Nd層態(tài)形成的費(fèi)米口袋急劇縮小。通過廣泛的材料搜索，發(fā)現(xiàn)在NaNd2NiO4和NaCa2NiO3中費(fèi)米口袋幾乎消失。

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博科園｜研究/來自：日本理化學(xué)研究所

參考期刊《物理評(píng)論B》

DOI: 10.1103/PhysRevB.100.205138

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