與銅不同，鎳基超導材料的電子結構和拓撲性質 | NSR

2020-12-01 知社學術圈

自銅基超導體發現以來，人們就一直希望能用銅在元素周期表上的「鄰居」鎳，製造出類似的氧化物超導材料。但直到最近，科學家們才在鍶摻雜的去氧原子層的鈣鈦礦鎳基材料Nd0.8Sr0.2NiO2中發現了超導性。


鎳基超導材料的晶體結構與銅基材料類似，但是它們的母體基態性質卻不盡相同：鎳基超導母體材料的基態既沒有觀測到反鐵磁，也不是絕緣相。因此，研究母體材料的電子結構、費米面、軌道特徵以及可能的拓撲結構成為了一個亟待解決的問題。

最近，中國科學院物理研究所研究團隊（高嘉成博士生，彭士宇博士生，王志俊特聘研究員，方辰研究員以及翁紅明研究員）在《國家科學評論》（National Science Review, NSR）發表研究論文，通過第一性原理計算和基礎能帶表示分析，並結合Gutzwiller變分方法，對鎳基超導材料的電子結構做了仔細分析。

研究表明：其費米面主要由

（電子型）,

（空穴型） 和

(空穴型) 構成（見下圖）。

鎳基超導母體的能帶結構和軌道成分（a），電子數與化學勢的關係（b），費米面（c）和狄拉克點（d）

通過拓撲量子化學分析和擬合能帶色散，作者提出了描述費米面附近能帶的二帶最簡模型。這個最簡模型包含兩個基礎能帶表示：

（參見拓撲量子化學理論），分別對應於Ni原子位的

軌道和氧原子空位處的類s軌道。

另外，研究還發現在費米能級下不遠的位置，由

軌道形成的能帶在布裡淵區的A點與導帶發生能帶反轉，在M-A高對稱線上形成一對拓撲狄拉克點。

接著，作者用Gutzwiller變分方法來處理Ni的五個關聯的3d軌道，得到了DFT+Gutzwiller的重整化的能帶（見下圖）。

圖二：無相互作用的緊束縛模型的能帶（黑虛線）和DFT+Gutzwiller的重整化能帶（紅實線），插圖為3d軌道的準粒子權重

計算表明：第一，近似半佔據的

軌道重整化因子最小，約為0.12，即

的能帶帶寬在強關聯作用下變為原來1/8左右。第二，由於關聯電子的重整化效應，M-A上的狄拉克點變得更加接近費米能級。在考慮空穴摻雜的情況下，這對狄拉克點有可能接近化學勢。

該研究成果清晰地給出了鎳基超導體母體電子結構的軌道成分和拓撲性質，電子的關聯效應和各種簡化模型，為人們進一步研究其超導機理提供了有力的支撐。此項工作得到國家自然科學基金委、中組部專項人才計劃和中科院戰略性先導科技專項(B類)支持。

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