Editors' Suggestion

Magnetism and Superconductivity in the t–J Model of La₃Ni₂O₇ Under Multiband Gutzwiller Approximation

Jie-Ran Xue (薛洁然) and Fa Wang (王垡)

Chin. Phys. Lett. 2024, 41 (5): 057403

DOI: 10.1088/0256-307X/41/5/057403

文章亮点

首次在镍基超导体La₃Ni₂O₇的t-J模型中研究了磁序与超导的竞争和共存。发现相对于Ni²⁺的低空穴掺杂区存在G型反铁磁（层内和层间最近邻均为反铁磁排布）和层间s波超导的共存，在高掺杂区因为Ni²⁺与Ni³⁺之间的铁磁关联会形成A型反铁磁序（层内为铁磁排布，层间为反铁磁排布）。该工作突显了镍基超导材料相关模型中磁性与超导的复杂关系。

左图：双层两轨道模型及重要的电子跃迁示意图。右上：一个原胞中上下两个Ni原子的“分子轨道”示意图，表示两个轨道构成的成键和反键态。右下：层内两个Ni原子间产生Ni³⁺和Ni²⁺铁磁关联的电子跃迁示意图。

多带Gutzwiller近似下La₃Ni₂O₇的t-J模型中的磁性与超导

研究背景

近期La₃Ni₂O₇和相关材料在高压下的高温超导电性引起了广泛关注。已有的大量理论研究集中在从Ni的e_g电子相互作用模型解释其超导电性，仅有少数第一性原理计算研究考虑了该材料中可能的磁序。铜基和铁基高温超导的研究经验表明理解这类过渡金属化合物中磁性和超导的关系对于理解其高温超导机理至关重要，本文的目标就是研究La₃Ni₂O₇的相互作用电子模型中磁序和超导的竞争和共存关系。

内容简介

本文从已有的第一性原理计算能带出发对La₃Ni₂O₇中Ni原子构成的双层正方晶格构建了强耦合极限下的t-J模型，其中假设未掺杂的“母体”仅包含高自旋S=1的Ni²⁺，而对轨道的空穴掺杂将产生S=1/2的Ni³⁺。在这个模型框架下La₃Ni₂O₇名义上对应于每个Ni的空穴掺杂浓度δ=0.5。作者对这个模型在0≤δ≤0.8的范围内用能够同时处理磁序和超导的多带Gutzwiller近似计算了基态性质，发现在低掺杂区域存在G型反铁磁序和层间s波超导的共存，且超导处于BEC极限；在高掺杂区域，因为Ni²⁺与Ni³⁺之间的铁磁关联，基态为A型反铁磁。为了模拟压力的效果，作者增大了层间轨道的电子跃迁，发现这会显著地增加层间s波超导的序参量和超流刚度。本文的结果预示，在不破坏Ni双层正方晶格的前提下，进一步减少空穴掺杂是一种调控磁性和超导的可能手段。

上图：多带Gutzwiller近似得到的各种磁性及超导序的基态能量和空穴掺杂的关系。下图：与G型反铁磁共存的s波超导序参量和空穴掺杂的关系，箭头表示费米面发生突变的位置。

研究意义和重要性

该工作第一次在La₃Ni₂O₇的相互作用电子模型中用统一的量子多体理论方法研究了可能的磁序和超导，揭示了这类模型中磁性和超导之间复杂的竞争和共存关系。

中国物理学会旗舰期刊

1

国家自然科学奖一等奖代表性成果一项

2

未来科学大奖代表性成果二项

3

中国科协优秀科技论文5篇

4

高被引原创论文数量在国内同类期刊中名列前茅

研究快讯回顾

阅读原文