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研究快讯 | La3Ni2O7高温超导电性的微观有效模型及密度矩阵重正化群研究
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EXPRESS LETTER
Effective Bi-Layer Model Hamiltonian and Density-Matrix Renormalization Group Study for the High-Tc Superconductivity in La3Ni2O7 under High Pressure
Yang Shen (沈阳), Mingpu Qin (秦明普), and Guang-Ming Zhang (张广铭)
Chin. Phys. Lett. 2023 40 (12): 127401
DOI: 10.1088/0256-307X/40/12/127401
文章亮点
根据镍氧化物La3Ni2O7材料体系的特征，本文首次提出了一个包含dx2-y2和dz2轨道电子的双层有效微观模型，指出层间的dz2轨道电子通过顶点氧形成σ和反σ键能带，局域电子关联效应将导致一个层间on-site反铁磁海森堡自旋耦合。在高压下，通过与巡游的dx2-y2轨道电子的杂化，产生非常规超导电性。
左图：包含Ni-O-Ni单胞的3d电子能级分布；右图：层间的dz2轨道电子通过顶点氧的低能电子互作用过程，展示了局域电子关联效应导致一个层间on-site反铁磁海森堡自旋耦合。
La3Ni2O7高温超导电性的微观有效模型及密度矩阵重正化群研究
研究背景
镍氧化物超导是近几年新发现的非常规超导体系，分子式为Lnn+1NinO3n+1或Lnn+1NinO2n+2，其中Ln代表稀土元素La、Pr、Nd等。2019年，美国科学家首先在Nd1-xSrxNiO2薄膜中发现超导电性。2023年，中国科学家又在双层镍氧化物La3Ni2O7单晶材料中，通过施加高压发现接近80 K的高温超导电性(Sun, et. al., Nature 621, 493)。镍氧化物超导的发现最初受到铜氧化物高温超导的启发，因此其超导电性是否与铜氧化物超导机理相似，引起了学术界的巨大关注。
内容简介
清华大学物理系张广铭教授与上海交通大学物理与天文学院秦明普副教授及博士后沈阳合作，根据镍氧化物La3Ni2O7材料体系的基本特征(Ni为+2.5价，dz2轨道接近半满，dx2-y2轨道接近1/4占据)，首次提出了一个包含dx2-y2和dz2轨道电子的双层有效微观模型，并明确指出层间的dz2轨道电子通过顶点氧形成σ和反σ键能带，而局域的电子库仑排斥作用将导致一个层间on-site反铁磁海森堡自旋耦合。利用密度矩阵重正化群数值计算方法，对最小约化的一维双轨道电子相互作用模型进行数值模拟后发现，在高压下强的层间on-site反铁磁海森堡自旋耦合导致dz2轨道电子配对，通过与巡游的dx2-y2轨道电子的杂化，产生非常规超导电性。
研究意义和重要性
本文提出的有效微观模型为后续理论研究压力下镍氧化物La3Ni2O7高温超导的系列工作奠定了重要的物理基础。近期，利用此微观模型，张广铭教授及其合作者提出了双层镍氧化物超导的两分量理论(Phys. Rev. B 108, L201108)。该理论代表了一种新的配对机制，揭示了双层镍氧化物高温超导和铜氧化物高温超导的本质区别，对建立普适的高温超导微观机理具有重要意义。
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