学术研究报告：压力下La₃Ni₂O₇中s±波配对及顶端氧缺陷的破坏性作用

一、作者及发表信息
本研究的通讯作者为南方科技大学的Mei Jia-Wei（†chenwq@sustech.edu.cn）、Chen Wei-Qiang（‡yangfan_blg@bit.edu.cn）及北京理工大学的Yang Fan，合作单位包括北京理工大学和南方科技大学。研究于2023年12月5日发表于《Physical Review Letters》（PRL），论文标题为《s±-wave pairing and the destructive role of apical-oxygen deficiencies in La₃Ni₂O₇ under pressure》，DOI: 10.1103/physrevlett.131.236002。

二、学术背景
研究领域为强关联电子体系与高温超导机制。近年来，双层钙钛矿镍酸盐La₃Ni₂O₇在14–43.5 GPa压力下表现出临界温度（Tc）约80 K的超导现象，但其配对对称性与机制尚不明确。此外，实验发现氧含量对超导相变具有显著影响，尤其是顶端氧缺陷（apical-oxygen deficiencies）可能导致材料绝缘化。本研究旨在解决三个核心问题：
1. 配对机制与对称性：La₃Ni₂O₇的超导配对对称性是否为s±波（s±-wave pairing）？
2. 压力的作用：压力如何通过能带结构调控诱导超导？
3. 氧缺陷的影响：顶端氧缺陷如何抑制超导转变温度（Tc）？

三、研究流程与方法
1. 模型构建
- 采用双层紧束缚模型（tight-binding model），包含Ni原子的dₓ²⁻ᵧ²和d₃z²⁻r²轨道，基于密度泛函理论（DFT）计算获得跃迁参数。
- 引入多轨道Hubbard相互作用（U, V, Jₕ），满足Kanamori关系（U = V + 2Jₕ，Jₕ = U/6）。

1. k空间随机相位近似（RPA）计算

   • 对完整晶体进行RPA分析，计算自旋 susceptibility χ(q) 和电荷 susceptibility，确定临界相互作用强度U_c^(s)和U_c^©。
     
   • 通过线性化能隙方程求解配对本征值λ，分析s波、d波、p波等对称性的竞争关系。
     

2. γ口袋（γ pocket）的作用

   • 压力下γ口袋（以d₃z²⁻r²轨道为主的空穴型费米面）的出现增强了β-γ口袋间的嵌套（nesting），导致自旋涨落峰值位于动量q₁。
     

3. 氧缺陷的实空间RPA分析

   • 模拟顶端氧缺陷（随机分布，浓度δ），将缺陷区域的层间跃迁参数t⊥设为0。
     
   • 开发实空间RPA算法（补充材料[68]），计算缺陷区域的局域磁矩形成及其对超导的抑制效应。
     

四、主要结果
1. 配对对称性
- s±波为主导对称性（图3a），α与γ口袋能隙符号相反，β口袋符号为正，与铁基超导体类似。
- 主导配对为层间d₃z²⁻r²轨道（δ₁^z），其强度是层内dₓ²⁻ᵧ²配对的3.4倍（δ₁^x/δ₁^z ≈ 0.59）。

1. 压力的关键作用

   • 压力诱导结构相变（空间群从Amam→Fmmm），使σ键金属化，并产生γ口袋。
     
   • γ-β嵌套驱动的自旋涨落（峰值位于q₁）是超导“胶水”的主要来源（图2a-b）。
     

2. 氧缺陷的破坏性

   • 缺陷浓度δ > 0.02时，平均临界相互作用强度Ū_c^(s)迅速下降（图4b），体系进入局域磁矩相（图5a-c）。
     
   • 缺陷区域形成反铁磁（AFM）团簇（图5b），导致均匀自旋 susceptibility降低，Tc显著抑制（δ > 3%时超导消失，图5d）。
     

五、结论与意义
1. 科学价值
- 首次在镍酸盐中提出s±波配对，为高温超导机制研究提供了新视角。
- 揭示了压力通过γ口袋调控费米面嵌套的微观机制，填补了镍酸盐超导能带工程的理论空白。

1. 应用价值
   
   • 实验合成中需严格控制氧化学计量比（δ < 0.02），以规避局域磁矩对超导的破坏。
     
   • 为设计新型镍酸盐超导材料提供了理论依据，如通过元素掺杂调控d₃z²⁻r²轨道占比。
     

六、研究亮点
1. 方法创新
- 结合k空间与实空间RPA，首次在缺陷体系中实现了自旋涨落与超导序参量的耦合计算。
2. 重要发现
- γ口袋的嵌套效应是高压超导的根源，而氧缺陷通过局域磁矩完全抑制超导，二者矛盾揭示了材料优化的关键路径。

七、其他价值
研究提出的实空间RPA方法可推广至其他无序强关联体系（如掺杂铜氧化物），为缺陷工程提供了普适性分析工具。