精确多体计算揭示新型镍基高温超导体系的配对机理
寻找具有高转变温度的超导材料并理解其超导机理，是凝聚态强关联领域的重大挑战之一。最近，理论物理所李伟课题组与合作者利用基态与有限温度张量网络态方法开展精确多体计算，对高压相镍基超导体La3Ni2O7的双层t-J-J⊥最简模型开展研究，发现存在稳健的s-波超导，提出了层间磁介导配对机理，同时主要结论对相关超冷费米气量子模拟实验也具有指导意义。
超导材料具有零电阻、完全抗磁性和宏观量子隧穿效应等性质，具有重要的基础研究和应用价值。最近，中国科学家发现镍氧化物La3Ni2O7在14GPa的高压下具有80 K的超导转变温度 [1]。这是继铜氧化物之后人类发现的第二类液氮温区的非常规高温超导材料。引起了国内外超导领域研究者对其电子结构、有效模型和可能超导机理的关注。
形成高温超导需要材料中的电子至少同时满足两个基本条件：很强的电子配对和相位相干。La3Ni2O7具有双层结构，其费米能附近的态密度主要由镍原子的 dx²-y²和dz²轨道贡献， 因而其超导主要与这两个轨道有关。其中，dx²-y²轨道在两层之间没有跳迁和相互作用，而在层内则具有很大的跳迁振幅和相位刚度，但由于远离半满，其电子配对很弱。与之相对的是，dz²轨道通过σ-键具有层间反铁磁相互作用，可以提供很强的超导配对“驱动力”，但由于接近半满并且层内跳迁很弱，导致其近似局域，进而相位刚度很小。可见，这两个轨道自身并不能同时满足形成高温超导所需的两个基本条件。一个富有洞见的观察是，这两个轨道之间具有很强的洪特耦合，可以把dz²轨道的层间反铁磁相互作用“传递”给dx²-y²轨道，让后者获得增强的层间反铁磁相互作用（图1a）。这样dx²-y²轨道就可能同时具有磁介导的层间配对和层内的相位相干，进而可能出现高温超导。
图1: (a) 在强洪特耦合（JH）作用下，双轨道（dx²-y², dz²）双层模型可以约化为单轨道模型。右图中的红色阴影代表系统中的层间电子配对Δ。(b) 有限尺寸（DMRG）和无穷大系统（iPEPS）计算得到的超导序参量。(c) 有限温度张量网络方法tanTRG给出系统有限温度相图，红色纵线为La3Ni2O7体系所在位置，Tm,Tl与Tc*分别是系统的反铁磁关联、电子配对与超导的特征温度。
为了验证这个机理，需要开展高精度的多体计算。李伟课题组与合作者利用基态多体计算方法以及他们前期发展的有限温度张量网络态方法，对dx²-y²轨道的最简模型 —— 双层t-J-J⊥模型开展了基态密度矩阵重正化群（DMRG）、无限大投影纠缠对态（iPEPS）和有限温度切空间张量重正化群（tanTRG [2,3]）计算。DMRG和iPEPS的计算结果表明，在压力下La3Ni2O7对应的参数范围内，该模型具有很强的 s-波超导序（图1b）。有限温度计算则进一步给出了温度-掺杂相图，估算出系统的超导转变温度，与实验观察到的高温超导相符合（图1c）。通过基态与有限温度的张量网络多体计算，研究团队证实了上述超导机理。
进一步的计算和分析表明，该双层配对超导机理的独特之处在于电子具有很强的层间反铁磁耦合却几乎没有层间跳迁，这使得dx²-y²轨道避免了层间泡利排斥，进而形成了比传统t-J模型更强的电子配对，可以具有很高的超导转变温度。这就为未来寻找新的高温超导材料指明了一个新的方向。同时，本研究首次指出新型镍基超导双层模型等价于最近在冷原子光晶格中实现的“混合维数t-J模型”，从而为新超导材料探索和量子模拟的结合提供了一种可能。
该工作是中国科学院理论物理研究所李伟课题组与中国科学院大学苏刚课题组密切合作完成的。国科大博士生曲行舟、屈代维和理论物理所博士后陈佳林为该论文的共同第一作者，李伟研究员和苏刚教授为共同通讯作者。本工作的合作者还包括北京理工大学杨帆教授和西湖大学吴从军教授。本工作获得国家自然科学基金委优青项目，以及中国科学院、科技部相关项目的支持。工作近日发表在Phys. Rev. Lett. 132, 036502 (2024)。
正文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.036502
参考文献
[1] Sun, H., Huo, M., Hu, X. et al. Nature 621, 493–498 (2023)
[2] Q. Li, et al. Phys. Rev. Lett. 130, 226502 (2023)
[3] 理论物理所2023年重要科研进展四“二维量子格点模型有限温度多体计算方法取得进展”