鎳氧化物超導母體為理解鎳氧化物超導體提供理論基礎

　　在鎳氧化物LaNiO₂和NdNiO₂中，Ni為+1價，其3d軌道上有9個電子，最高的d_x2-y2軌道半滿，Sr摻雜會引入空穴，類似空穴摻雜的銅氧化物高溫超導體，多年來人們一直猜測其中也可能有高溫超導。最近，《自然》雜志報道在Nd_1-xSr_xNiO₂薄膜中發現超導相，證實了這一預期［Nature 572, 624 (2019)］。

　　為了澄清鎳氧化物超導的物理特性，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX9組研究員楊義峰與清華大學教授張廣銘和中國科學院大學卡弗里理論科學研究所教授張富春合作，提出了鎳氧化物超導體的一個理論模型。他們仔細分析了實驗數據，發現未摻雜的NdNiO₂或LaNiO₂母體中均存在較強的近藤散射，導致電阻與霍爾系數在低溫下呈現典型的對數溫度依賴行為；而在空穴摻雜的Nd_1-xSr_xNiO₂中，電阻在超導轉變之上呈現類似最佳摻雜銅氧化物的奇異金屬行為。基于以上事實，他們提出鎳氧化物超導體的母體為自摻雜的Mott絕緣體，其中Ni的大部分3d_x2-y2電子比較局域，形成自旋晶格，少部分則轉移到Nd或La的5d軌道上。這些巡游的5d電子既在Ni自旋晶格上引入了空穴（holon），又與這些自旋發生近藤散射并在低溫下形成近藤單態（doublon），產生低能的doublon-holon激發，破壞了可能的磁性長程序。

　　以上工作為理解鎳氧化物超導體提供了理論基礎，指出該體系具有重費米子和銅氧化物的雙重特征，是探索新物理的重要對象。文章發表于《物理評論B》，并被選為編輯推薦［Phys. Rev. B 101, 020501(R) (2020)］。該工作得到科技部（2016YFYA0300300, 2017YFA0302902, 2017YFA0303103、2014CB921203、2015CB921303）、國家自然科學基金委（11774401, 11674278）和中科院戰略先導項目（XDB28000000）的支持。

圖1：NdNiO₂和LaNiO₂的電阻與霍爾系數，低溫下呈現對數溫度依賴行為。

圖2：鎳氧化物超導母體理論示意圖，自旋格子及其上doublon-holon激發。