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Electronic Correlation and Pseudogap-Like Behavior of High-Temperature Superconductor La₃Ni₂O₇

Yidian Li (李义典), Xian Du (杜宪), Yantao Cao (曹延涛), Cuiying Pei (裴翠颖), Mingxin Zhang (张明鑫), Wenxuan Zhao(赵文轩), Kaiyi Zhai (翟恺熠), Runzhe Xu (许润哲), Zhongkai Liu (柳仲楷), Zhiwei Li (李志伟), Jinkui Zhao (赵金奎), Gang Li (李刚), Yanpeng Qi (齐彦鹏), Hanjie Guo (郭汉杰), Yulin Chen (陈宇林), and Lexian Yang (杨乐仙)

Chin. Phys. Lett. 2024, 41 (8): 087402

DOI: 10.1088/0256-307X/41/8/087402

文章亮点

文章系统地研究了常压下镍基高温超导体La₃Ni₂O₇的电子结构，揭示了强电子关联效应和轨道依赖的能带重整化。此外，文章还发现能带在费米能附近没有准粒子峰，且随着色散靠近费米能，谱重逐渐被压制，表现出类似赝能隙的行为。

图1. 左：不同温度下La₃Ni₂O₇的激光角分辨光电子能谱数据。右：费米动量处对应的能量分布曲线边沿（leading edge）相对于110 K时的移动。

高温超导体La₃Ni₂O₇中的电子关联和类似赝能隙的行为

研究背景

高温超导是长期悬而未决而又有重要应用前景的前沿科学问题。目前，只有铜基与铁基超导体在常压下表现出超过麦克米兰极限的非常规超导特性。它们都表现出层状晶体结构，费米能级附近的电子态以具有强电子关联的3d电子为主，在相图中存在超导相和磁性相。然而，这两类超导体之间也存在着显著的差异。基于Cu²⁺的3d⁹通常用单能带Hubbard模型来描述。相比之下，具有 Fe 3d⁶ 电子结构的铁基超导体具有多带和多轨道的特性。此外，铜基超导在转变温度以上通常表现出赝能隙，而铁基超导在正常状态下通常是坏金属。为了了解这些相似性和差异性在非常规高温超导中所扮演的角色，迫切需要探索新的高温超导材料。

无限层镍氧化物由于其类似Cu 3d⁹的电子结构，通常被认为有希望成为新的非常规高温超导材料。但是经过多年研究，无限层镍氧化物超导只在薄膜体系中实现，并且其超导转变温度相对较低。最近，研究者们发现La₃Ni₂O₇单晶在高压下超导转变温度高达80 K，从而引发了新一轮镍基超导研究的热潮。为了理解其高压下的非常规超导行为，对La₃Ni₂O₇在常压下的基本性质的研究至关重要，包括其费米面拓扑结构、电子能带结构、电子关联效应以及正常态下的密度波态等。

内容简介

最近，清华大学物理系的杨乐仙课题组及其合作者利用角分辨光电子能谱和第一原理计算系统地研究了La₃Ni₂O₇在常压下的电子结构。实验测得的能带结构显示出多带和多轨道特点，和轨道电子分别形成了靠近费米能的平带和穿越费米能的能带。将第一性原理计算得到的能带进行轨道依赖的重整化后，与实验吻合较好，其中和轨道对应的能带重整化因子分别为5和2.7左右，表明体系内存在轨道依赖的强电子关联性。利用第一性原理计算，研究者们还对La₃Ni₂O₇高压下的电子结构进行了研究。结果表明，高压使能带带宽整体上增加，且平带更加靠近费米能，可能有利于加压下高温超导的出现。

研究者们进一步对La₃Ni₂O₇的电子结构对温度的演化做了细致的研究。测量表明费米能附近的平带随着温度没有明显的变化，而能带则表现出反常的行为。随着色散接近费米能，谱重受到明显的压制，且不具有准粒子峰的特征。对费米能附近的电子态的细致研究表明，在低温下打开一个大约10 meV的能隙，可能和常压下的密度波态有关。

研究意义和重要性

该工作揭示了高温超导体La₃Ni₂O₇中的轨道依赖的强关联效应以及类似赝能隙的行为，为理解镍基非传统高温超导体的新奇物性提供了电子结构方面的重要实验信息。

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