最新成果：镍氧化物电子的行为被揭示，或将能找到高温超导体！

杨俊语语il

日本理化学研究所的物理学家计算揭示了镍氧化物材料中电子的行为，这可能有助于寻找高温超导体。超导体可以无电阻地携带电流，被用来制造强大的电磁铁或测量磁场的灵敏仪器。传统超导电性依赖于一种只有在极低温度下才会发生的电子配对形式，因此超导设备必须用昂贵的液化气来冷却。但大约30年前，研究人员发现，一些铜酸盐材料可以在相对温暖的温度下成为超导体。


最高可达140摄氏度，这种高温超导的根本原因仍不清楚。2019年研究人员发现，掺锶的钕镍氧化物(Nd0.8Sr0.2NiO2)可以在258摄氏度以下超导。这一发现之所以引起科学家的注意，不是因为温度，而是因为这种镍酸盐材料的晶体结构与铜酸盐非常相似，可以作为一个试验台，更好地了解这些材料的超导工作原理，镍酸盐材料由Nd和NiO2交替层组成。


日本理化学研究所应急物质科学中心的野村裕介和同事们现在研究了这两层中某些电子之间的相互作用如何影响超导电性。该团队的计算显示，NiO2层中的电子相互作用很强，这类似于CuO2层中的强关联被认为在其高温超导中发挥了关键作用。然而，在镍酸盐和铜酸盐之间有一个不同之处：在镍酸盐中，钕层中的电子被部分占据并形成费米袋。费米袋是布里渊区中被费米面包围的一个相对较小的区域，这些口袋不会出现在铜酸盐中。


这可能会使这种含镍材料不是铜酸盐的完美类似物。研究团队使用计算模型来研究是否可以通过调整材料的化学成分来消除口袋，从而创建一种与铜酸盐更匹配的镍酸盐。发现有两种化合物可以满足要求：氧化钕钠(NaNd2NiO4)和氧化钙镍钠(NaCa2NiO3)。研究人员表示：如果镍酸盐被合成，它们将是真正的铜酸盐超导体的镍类似物。研究的下一步是以更系统的方式，证明镍酸盐和铜酸盐之间的区别和相似之处，并对这两个系统的超导机制有更深入的了解。


（上图所示）电子在穿过镍酸盐材料的NiO2层时相互作用很强，这可以作为高温超导(镍=灰色，氧=红色)的模型。图片：RIKEN Center for Emergent Matter Science
受无限层镍酸盐Nd0.8Sr0.2NiO2中超导电性的实验发现的启发，研究了NiO2层中关联的Ni3dx2y2电子如何与Nd层中的电子相互作用。研究结果表明，表示费米能级附近的电子结构需要三个轨道：Ni3dx2y2，Nd5d3z2R2，以及由Nd层中的间隙s轨道和Nd5dxy轨道组成的成键轨道。通过建立这些态的三轨道模型，研究发现Ni3dx2y2态与Nd层中的态之间的杂化很小。


同时还发现，Nd层的金属屏蔽效果不是很好，因为它只使Ni3dx2y2电子之间的Hubbard U降低了10%-20%。另一方面，电-声子耦合不足以调节Tc-10K的超导电性。NdNiO_2拥有一个几乎孤立的关联3dx2--y2轨道系统。还进一步研究了在Mott-Hubbard区域实现更理想单轨道系统的可能性。当间隙s态和Nd5dxy态之间的杂化变小时，由Nd层态形成的费米口袋急剧缩小。通过广泛的材料搜索，发现在NaNd2NiO4和NaCa2NiO3中费米口袋几乎消失。


博科园｜研究/来自：日本理化学研究所
参考期刊《物理评论B》
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