Nat. Commun.: 无限层镍氧化物中电荷序的成因
海归学者发起的公益学术平台
分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
无限层镍氧化物因为出现超导性质而备受关注。它与高温超导体铜氧化物之间的相似与不同是凝聚态物理与材料物理研究的热点之一。最近在实验上发现无限层镍氧化物中存在q=(1/3,0,0)的电荷序。我们结合密度泛函理论和动力学平均场理论(DFT+DMFT)计算提出无限层镍氧化物中的电荷序来自于一种特殊的电荷转移机制：每三个镍原子中有一个镍原子上的电荷会转移到导带上，而另两个镍原子上的电荷会变得更为局域。我们进一步通过一个低能有效模型计算发现：电荷转移能否发生取决于镍原子上的局域库伦作用和电荷转移能之间的相互竞争。当相互作用参数在物理上合理的范围内时，无限层镍氧化物中电荷序的能量会低于普通顺磁态和反铁磁态。我们的工作强调无限层镍氧化物中导带的特殊作用，它的存在能够产生在铜氧化物中所没有的关联性质。
2019年，在空穴掺杂的无限层镍氧化物中发现了超导(Nature 572, 624 (2019))，立刻引起了广泛的关注。无限层镍氧化物的晶体结构与电子结构都与高温超导体铜氧化物类似，让人猜测两类超导体背后是否可能有紧密的联系。最近三个实验小组同时报道了在无限层镍氧化物中发现了q=(1/3,0,0)的电荷序，也就是体系的平移周期从原本的一个晶格常数变成了三个晶格常数(Nat. Phys. 18, 869 (2022); Phys. Rev.
Lett. 129, 027002 (2022); Nat. Mater. 21, 1116 (2022))。因为在无限层镍氧化物中一直没有观测到长程反铁磁序，所以此次发现的电荷序被认为可能是无限层镍氧化物中超导的竞争相。
我们在这份工作中研究了无限层镍氧化物中可能的成因。我们提出了一种特殊的电荷转移机制。因为在无限层镍氧化物中存在靠近费米能级的导带，所以我们认为当一部分镍原子上的电荷转移到导带上时，体系的平移对称性会改变，从而产生实验上观测到的电荷序。图一显示了我们第一性原理计算的结果：我们比较了电荷序和普通的顺磁态。我们发现在电荷序里镍2原子上的电荷明显要小于镍1和镍3原上的电荷。而由钕原子和间隙s轨道所组成的导带，在靠近费米能级附近时，其在电荷序中的能态密度要大于在普通顺磁态中的能态密度。这说明与普通顺磁态相比，电荷序中存在从镍2原子到导带的电荷转移。
图一：DFT+DMFT计算的无限层镍氧化NdNiO2的能谱函数。a和b是电荷序，c和d是普通顺磁态。
接下来我们测试电荷序的产生对关键相互作用参数的依赖关系（见图二）。我们发现电荷序的产生对镍原子d轨道上的局域库伦相互作用有很大的依赖关系，但对镍原子d轨道上的洪特耦合依赖不强。只有当镍原子d轨道上的局域库伦相互作用大于某个阈值时，电荷序才会产生。这说明在我们提出的机制里，无限层镍氧化中的电荷序是一种强关联现象。
图二：DFT+DMFT计算的无限层镍氧化NdNiO2中镍原子d轨道的占有数，随局域库伦相互作用强度和洪特耦合的变化。
为了能够更深入地理解无限层镍氧化物中电荷转移的机制，我们建立了一个低能有效模型。在这个简化模型中，我们只考虑了一个镍dx2-y2轨道和一个s轨道。镍dx2-y2轨道上存在局域库伦相互作用。s轨道是一个无相互作用的轨道，用来产生导带。两个轨道之间存在杂化，从而可以产生电荷转移。我们利用这个简化模型，比较了普通的顺磁态，反铁磁态和电荷序这三种情况的能量（见图三）。我们发现当局域库伦相互作用足够大时，电荷序的能量会低于普通顺磁态和反铁磁态。这为实验上在无限层镍氧化物中没有观测到反铁磁态提供一种可能的解释：即在无限层镍氧化物中有可能产生反铁磁态，但实验上观测到的是另一个能量更低的量子态，也就是电荷序。
图三：利用有效模型计算的普通顺磁态、反铁磁态和电荷序的能量，随局域库伦相互作用的变化，以及它们的能谱函数。
我们进一步分析，为什么电荷序的能量可以比反铁磁态的能量低。我们把总能量拆分成动能项和势能项（见图四）。我们发现：因为导带的能量比镍原子d轨道的能量高，所以从动能项看其实是不利于电荷转移的发生的。但镍原子d轨道上有局域库伦相互作用，而库伦相互作用是排斥的。因此，当电荷转移发生时，在镍2原子上的排斥相互作用就消失了，势能项会降低。所以电荷转移能与局域库伦相互作用之间产生一种竞争关系。为了直接证明这一点，我们手动改变了电荷转移能的大小（见图五b）。我们发现当电荷转移能变小时，电荷序会变得更稳定。而当电荷转移能变大时，反铁磁态会变得更稳定。
图四：利用有效模型分析电荷序和反铁磁态的能量差。
最后，我们研究了电荷序的模式（见图五c和d）。实验上在无限层镍氧化中观测到的电荷序具有q=(1/3,0,0)，也就是周期是三个晶格常数。我们考虑q=(1/N,0,0)的电荷序，这里N是一个整数：2, 3, 4, 5。我们发现当荷转移能与局域库伦相互作用在一个物理上合理的范围内，能量最低的电荷序具有q=(1/3,0,0)的周期性，与实验结果相符。
图五：利用有效模型，分析电荷序的能量随电荷转移能的变化，以及电荷序的周期随局域库伦相互作用和电荷转移能的变化。
本工作于2023年9月6日以“An electronic origin of charge order in infinite-layer nickelates”为题发表于Nature Communications上。上海纽约大学(NYU Shanghai)的陈航晖教授、中科院物理所的杨义峰教授和清华大学的张广铭教授为本文的共同通讯作者。上海纽约大学的陈航晖教授为本文的第一作者。上海纽约大学的刘泓泉同学为本文的参与作者。本工作受到了国家自然科学基金、科技部和上海市科学技术委员会的资助。
Hanghui Chen, Yi-feng Yang, Guang-Ming Zhang and Hongquan Liu, “An electronic origin of charge order in infinite-layer nickelates”,Nature Communications 14, 5477 (2023).
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41236-3
点击下方知社人才广场，查看最新学术招聘
扩展阅读
微信扫码关注该文公众号作者