南京大學/中山大學《Nature Communications》：雙層鎳氧化物La3Ni2O7中的強電子關聯和部分能隙

最近，南京大學物理學院聞海虎、戴耀民、盧毅課題組與中山大學王猛課題組合作，在鎳基超導研究中取得新進展。研究團隊利用紅外光譜技術測量並結合第一性原理計算，揭示了雙層鎳氧化物La3Ni2O7中存在強電子關聯效應，並觀測到密度波型別的部分能隙。

自從上世紀90年代銅氧化物高溫超導體被發現以來，人們便致力於尋找與銅氧化物超導體具有類似電子結構的材料，從而探索出新型高溫超導體。由於鎳和銅在元素週期表中相鄰，因此鎳氧化物成為探尋高溫超導電性的重要材料體系。2023年，中山大學王猛教授團隊發現雙層鎳氧化物La3Ni2O7單晶在壓力下存在轉變溫度高達80 K的超導電性，引起了全世界超導領域的廣泛關注。該材料在常壓下不具有超導電性，但在T* ≃ 115 K附近表現出類似密度波的相變。研究La3Ni2O7的電子關聯和相變前後的光學響應可以為理解該材料中的超導電性和其它競爭序的本質提供關鍵資訊。

研究團隊利用紅外光譜技術測量了La3Ni2O7的反射率譜並轉換成為光電導譜（圖1a），然後與第一性原理計算的結果（圖1c）進行對比。對比實驗和理論計算的Drude譜重可以獲得La3Ni2O7的電子動能比Kexp/Kband。他們發現實驗光電導譜低頻的Drude響應（以零能為中心的峰）明顯弱於理論計算的結果，說明該材料中存在強電子關聯效應。如圖1d所示，La3Ni2O7具有非常小的Kexp/Kband = 0.022（實心五角星），表明該材料中強電子關聯效應使其處於Mott絕緣相的邊緣。實驗光電導譜可以用2個Drude分量和一系列Lorentz分量擬合（圖1a），2個Drude分量源於穿過費米能級的多條由Ni-dx2-y2和Ni-dz2軌道形成的能帶（圖1b），Lorentz分量則源於電子的帶間躍遷。其中一個Drude分量表現為費米液體行為（圖2c），且其譜重不受T* ≃ 115 K相變的影響（圖2a），而另一個Drude分量表現為非費米液體行為（圖2d），並且在T* ≃ 115 K相變以下消失（圖2b）。這表明T* ≃ 115 K相變在費米麵上打開了一個部分能隙，推測被移除的費米麵處譜權重由電子關聯較強的Ni-dz2軌道主導。

相關成果以“Electronic correlations and partial gap in the bilayer nickelate La3Ni2O7”為題於發表在Nature Communications [Nat. Commun. 15, 7570 (2024)]。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、固體微結構物理國家重點實驗室以及人工微結構科學與技術協同創新中心的支援。南京大學物理學院的博士生劉哲、李婕和中山大學博士生霍夢五為該論文的共同第一作者，戴耀民教授、盧毅教授、王猛教授和聞海虎教授為論文的共同通訊作者。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52001-5

圖1 (a) La3Ni2O7的光電導譜(T = 150 K)和Drude-Lorentz擬合結果，插圖將低頻的結果進行了放大。(b)和(c) 計算得到的La3Ni2O7的能帶結構和光電導譜。(d) La3Ni2O7和一些其它典型材料的電子動能比Kexp/Kband。

圖2 (a)和(c)分別對應D1分量的譜重和散射率隨溫度的演化。(b)和(d)分別顯示D2分量的譜重和散射率隨溫度的演化。

來源 | 南京大學。