自銅基超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來，人們就一直希望能用銅在元素周期表上的“鄰居”鎳，制造出類似的氧化物超導(dǎo)材料。但直到最近，科學(xué)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(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性。

鎳基超導(dǎo)材料的晶體結(jié)構(gòu)與銅基材料類似，但是它們的母體基態(tài)性質(zhì)卻不盡相同：鎳基超導(dǎo)母體材料的基態(tài)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(jié)構(gòu)、費(fèi)米面、軌道特征以及可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為了一個(gè)亟待解決的問題。

最近，中國科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)（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(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR）發(fā)表研究論文，通過第一性原理計(jì)算和基礎(chǔ)能帶表示分析，并結(jié)合Gutzwiller變分方法，對(duì)鎳基超導(dǎo)材料的電子結(jié)構(gòu)做了仔細(xì)分析。

研究表明：其費(fèi)米面主要由（電子型）,（空穴型） 和(空穴型) 構(gòu)成（見下圖）。

鎳基超導(dǎo)母體的能帶結(jié)構(gòu)和軌道成分（a），電子數(shù)與化學(xué)勢的關(guān)系（b），費(fèi)米面（c）和狄拉克點(diǎn)（d）

通過拓?fù)淞孔踊瘜W(xué)分析和擬合能帶色散，作者提出了描述費(fèi)米面附近能帶的二帶最簡模型。這個(gè)最簡模型包含兩個(gè)基礎(chǔ)能帶表示：（參見拓?fù)淞孔踊瘜W(xué)理論），分別對(duì)應(yīng)于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(fā)現(xiàn)在費(fèi)米能級(jí)下不遠(yuǎn)的位置，由軌道形成的能帶在布里淵區(qū)的A點(diǎn)與導(dǎo)帶發(fā)生能帶反轉(zhuǎn)，在M-A高對(duì)稱線上形成一對(duì)拓?fù)涞依它c(diǎn)。

接著，作者用Gutzwiller變分方法來處理Ni的五個(gè)關(guān)聯(lián)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(shí)線），插圖為3d軌道的準(zhǔn)粒子權(quán)重

計(jì)算表明：第一，近似半占據(jù)的軌道重整化因子最小，約為0.12，即的能帶帶寬在強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用下變?yōu)樵瓉?/8左右。第二，由于關(guān)聯(lián)電子的重整化效應(yīng)，M-A上的狄拉克點(diǎn)變得更加接近費(fèi)米能級(jí)。在考慮空穴摻雜的情況下，這對(duì)狄拉克點(diǎn)有可能接近化學(xué)勢。

該研究成果清晰地給出了鎳基超導(dǎo)體母體電子結(jié)構(gòu)的軌道成分和拓?fù)湫再|(zhì)，電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)和各種簡化模型，為人們進(jìn)一步研究其超導(dǎo)機(jī)理提供了有力的支撐。此項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金委、中組部專項(xiàng)人才計(jì)劃和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)支持。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：與銅不同，鎳基超導(dǎo)材料的電子結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì) | NSR

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