自銅基超導體發(fā)現(xiàn)以來，人們就一直希望能用銅在元素周期表上的“鄰居”鎳，制造出類似的氧化物超導材料。但直到最近，科學家們才在鍶摻雜的去氧原子層的鈣鈦礦鎳基材料Nd0.8Sr0.2NiO2中發(fā)現(xiàn)了超導性。

鎳基超導材料的晶體結(jié)構(gòu)與銅基材料類似，但是它們的母體基態(tài)性質(zhì)卻不盡相同：鎳基超導母體材料的基態(tài)既沒有觀測到反鐵磁，也不是絕緣相。因此，研究母體材料的電子結(jié)構(gòu)、費米面、軌道特征以及可能的拓撲結(jié)構(gòu)成為了一個亟待解決的問題。

最近，中國科學院物理研究所研究團隊（高嘉成博士生，彭士宇博士生，王志俊特聘研究員，方辰研究員以及翁紅明研究員）在《國家科學評論》（National Science Review, NSR）發(fā)表研究論文，通過第一性原理計算和基礎(chǔ)能帶表示分析，并結(jié)合Gutzwiller變分方法，對鎳基超導材料的電子結(jié)構(gòu)做了仔細分析。

研究表明：其費米面主要由（電子型）,（空穴型） 和(空穴型) 構(gòu)成（見下圖）。

鎳基超導母體的能帶結(jié)構(gòu)和軌道成分（a），電子數(shù)與化學勢的關(guān)系（b），費米面（c）和狄拉克點（d）

通過拓撲量子化學分析和擬合能帶色散，作者提出了描述費米面附近能帶的二帶最簡模型。這個最簡模型包含兩個基礎(chǔ)能帶表示：（參見拓撲量子化學理論），分別對應于Ni原子位的軌道和氧原子空位處的類s軌道。

另外，研究還發(fā)現(xiàn)在費米能級下不遠的位置，由軌道形成的能帶在布里淵區(qū)的A點與導帶發(fā)生能帶反轉(zhuǎn)，在M-A高對稱線上形成一對拓撲狄拉克點。

接著，作者用Gutzwiller變分方法來處理Ni的五個關(guān)聯(lián)的3d軌道，得到了DFT+Gutzwiller的重整化的能帶（見下圖）。

圖二：無相互作用的緊束縛模型的能帶（黑虛線）和DFT+Gutzwiller的重整化能帶（紅實線），插圖為3d軌道的準粒子權(quán)重

計算表明：第一，近似半占據(jù)的軌道重整化因子最小，約為0.12，即的能帶帶寬在強關(guān)聯(lián)作用下變?yōu)樵瓉?/8左右。第二，由于關(guān)聯(lián)電子的重整化效應，M-A上的狄拉克點變得更加接近費米能級。在考慮空穴摻雜的情況下，這對狄拉克點有可能接近化學勢。

該研究成果清晰地給出了鎳基超導體母體電子結(jié)構(gòu)的軌道成分和拓撲性質(zhì)，電子的關(guān)聯(lián)效應和各種簡化模型，為人們進一步研究其超導機理提供了有力的支撐。此項工作得到國家自然科學基金委、中組部專項人才計劃和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項(B類)支持。

責任編輯：xj

原文標題：與銅不同，鎳基超導材料的電子結(jié)構(gòu)和拓撲性質(zhì) | NSR

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