image: 镍基超导母体的能带结构和轨道成分（a），电子数与化学势的关系（b），费米面（c）和狄拉克点（d） view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
自铜基超导体发现以来，人们就一直希望能用铜在元素周期表上的“邻居”镍制造出类似的氧化物材料。直到最近，科学家在锶掺杂的去氧原子层的钙钛矿镍基材料Nd0.8Sr0.2NiO2中发现了超导性，并在 《自然》 杂志发布研究成果。同杂志上的评论文章认为：“这是一个非常重大的发现。我们需要重新思考这些超导材料的电子结构和超导机制。”虽然镍基超导材料和铜基材料晶体结构类似，但是他们的母体基态性质却不尽相同：镍基超导母体材料的基态既没有观测到反铁磁，也不是绝缘相。因此，研究母体材料的电子结构，费米面，轨道特征以及可能的拓扑结构是目前一个亟待解决的问题。
最近，中国科学院物理研究所研究团队（高嘉成博士生，彭士宇博士生，王志俊特聘研究员，方辰研究员以及翁红明研究员）在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表研究论文，通过第一性原理计算和基础能带表示分析，并结合Gutzwiller变分方法，对镍基超导材料的电子结构做了仔细分析。研究表明：其费米面主要由Ni-3d_(x^2-y^2 )（电子型）, Nd-5d_(〖3z〗^2-r^2 )（空穴型） 和 Nd-5d_xy (空穴型) 构成（见图一）。通过拓扑量子化学分析和拟合能带色散，作者提出了描述费米面附近能带的二带最简模型。这个最简模型包含两个基础能带表示：B_1g@1a ⊕ A_1g@1b（参见拓扑量子化学理论），分别对应于Ni原子位的d_(x^2-y^2 )轨道和氧原子空位处的类s轨道。另外，研究还发现在费米能级下不远的位置，由Ni-d_xy 轨道形成的能带在布里渊区的A点与导带发生能带反转，在M-A高对称线上形成一对拓扑狄拉克点。
接着，作者用Gutzwiller变分方法来处理Ni的五个关联的3d轨道，得到了DFT+Gutzwiller的重整化的能带（见图二）。计算表明：第一，近似半占据的3d_(x^2-y^2 )轨道重整化因子最小，约为0.12，即3d_(x^2-y^2 )的能带带宽在强关联作用下变为原来1/8左右 。第二，由于关联电子的重整化效应，M-A上的狄拉克点变得更加接近费米能级。在考虑空穴掺杂的情况下，这对狄拉克点有可能接近化学势。该研究成果清晰的给出了镍基超导体母体电子结构的轨道成分和拓扑性质，d电子的关联效应和各种简化模型，为人们进一步研究其超导机理提供了有力的支撑。
此项工作得到国家自然科学基金委、中组部专项人才计划和中科院战略性先导科技专项(B类)支持。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa218
Journal
National Science Review