高压下双层镍酸盐La₃Ni₂O₇的高温超导机制：层间价键与双组分理论
作者及发表信息
本研究的通讯作者为杨义峰（Yi-Feng Yang，中国科学院物理研究所）、张广铭（Guang-Ming Zhang，清华大学）和张富春（Fu-Chun Zhang，中国科学院大学），合作单位包括中国科学院物理研究所、清华大学低维量子物理国家重点实验室、松山湖材料实验室等。论文于2023年11月9日发表在《Physical Review B》期刊，标题为《Interlayer valence bonds and two-component theory for high-Tc superconductivity of La₃Ni₂O₇ under pressure》。
学术背景
高温超导研究历经近40年，铜基超导体（cuprate）的发现为理解强关联电子体系提供了范式，但其机制仍未完全解决。近年来，镍基超导体（nickelate）因其与铜基材料的相似性成为热点，但此前发现的无限层镍酸盐（如Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂）超导转变温度（Tc）仅约40 K。2023年，双层镍酸盐La₃Ni₂O₇在高压下表现出约80 K的Tc，这一突破性发现引发了对其超导机制的激烈争论。
传统理论基于密度泛函理论（DFT, Density Functional Theory）的弱耦合图像，认为La₃Ni₂O₇的dz²轨道形成几乎全填充的成键带，难以解释其高温超导性。本研究提出强耦合模型，强调dz²电子的强关联效应（on-site Coulomb repulsion）导致局域自旋单态（local spin singlet）形成，并通过与近1/4填充的dx²-y²电子杂化（hybridization），实现双组分（two-component）超导机制。
研究流程与核心方法
1. 电子结构建模
- 研究对象：高压下的La₃Ni₂O₇晶体结构，包含双层NiO₂八面体，共享顶端氧原子（apical oxygen）。
- 哈密顿量构建：基于DFT结果，建立非相互作用哈密顿量（Hamiltonian），描述dz²和dx²-y²轨道的层内/层间 hopping（t⊥, t_d, t_c）及轨道间杂化（v_ij）。通过投影法排除dz²轨道的双占据态，得到强耦合有效模型。
- 关键参数：层间超交换作用（interlayer superexchange, J⊥≈4t⊥²/U，U为库仑排斥能）、杂化强度v。
弱耦合与强耦合对比
双组分超导机制
数值验证
主要结果与逻辑链条
1. 电子关联主导：强库仑排斥（U≈5 eV）使dz²电子局域化，形成层间价键（interlayer valence bond），而非DFT预测的离域成键态。
2. 双组分协同效应：dz²的局域配对（s波）通过杂化诱导dx²-y²的扩展s波配对，α/β费米面（Fermi surface）能隙符号相反。
3. 高压调控机制：压力增加→杂化v增强→相位刚度（phase stiffness, ρ_s）提升，但过量压力会削弱局域配对，导致Tc先升后降。
结论与意义
1. 理论价值：提出镍酸盐高温超导的新范式，区别于铜基材料的掺杂莫特绝缘体（doped Mott insulator）机制，强调自旋单态掺杂的独特路径。
2. 材料设计启示：双层结构是实现强层间超交换的关键，为探索更多高温超导体（如三层镍酸盐）提供方向。
3. 争议回应：否定了Hund耦合（Hund’s coupling）主导或纯自旋涨落机制，指出La₃Ni₂O₇在常压下无超导性（δ_d=0）是强耦合模型的核心证据。
研究亮点
1. 创新模型：首次将双组分理论应用于镍酸盐，结合局域配对与离域载流子的协同效应。
2. 方法突破：通过投影技术构建强耦合有效模型，避免DFT对关联效应的低估。
3. 实验预测：提出通过调控dz²空穴浓度（如化学掺杂）或压力优化Tc的策略，可供后续实验验证。
其他重要内容
- 与铜基超导对比：La₃Ni₂O₇无需抑制反铁磁序，直接利用预形成的自旋单态，避免了铜酸盐中磁序与超导的竞争。
- 未解决问题：dz²与dx²-y²轨道的精确杂化形式、更高压力下的相图仍需进一步研究。
（注：原文中引用的预印本工作如Lu等人对Bi2223铜酸盐的复合机制分析，为本研究提供了类比依据，但未在报告中详述。）