寻找新的高温超导体并理解其配对机理，是凝聚态强关联领域具有挑战性的重要问题。中国科学院大学苏刚教授课题组和中国科学院理论物理研究所李伟研究员课题组组成联合团队，利用自主发展的精确张量网络多体计算方法，综合基态与有限温度计算，系统地研究了高压相镍基超导体La3Ni2O7的最简模型，提出反铁磁介导的层间配对机制，为澄清该体系超导配对的机理奠定了坚实的基础，对相关超冷原子量子模拟实验也有指导意义，工作近日发表在国际顶尖物理学术期刊《物理评论快报》。
最近，中国科学家发现镍氧化物 La3Ni2O7在14GPa的高压下具有80K的超导转变温度 [1]。作为继铜氧化物之后的第二类液氮温区非常规高温超导材料，La3Ni2O7受到了国内外超导领域研究者对其电子结构、有效模型和可能的超导机理的广泛关注。La3Ni2O7中 Ni 为+2.5价态，核外电子排布区别于铜氧化物中的 Cu2+, 亦预示着有别于铜氧化物的全新超导机理。
图一：(a) 镍原子的两个轨道构成双层两轨道模型约化为单轨道t-J-J⊥模型示意图。
(b) 有限尺寸（DMRG） 和 无穷大系统（iPEPS）计算得到的超导序参量。(c) 利用自主研发的有限温度张量网络方法tanTRG， 给出系统有限温度相图。
高温超导的涌现要求材料中的电子满足两个条件：配对和相位相干。La3Ni2O7 体系为双层结构，费米面附近的态密度主要来源于镍原子的 dx²-y² 和dz² 轨道和顶角氧原子的p轨道，其中 dz² 轨道接近半满，主要在z 方向参与构成 Ni-O-Ni σ-键，能够提供很强的层间配对驱动力。dx²-y² 轨道约为1/4填充，在xy平面内具有较强的巡游性，容易形成相位相干。这两个轨道分别给出了超导的一个有利条件，那么如何将两个因素结合在一起，“珠联璧合”形成超导呢？一个可能的机制是通过轨道间的洪特耦合，把dz² 轨道的层间反铁磁相互作用传递给 dx²-y² 轨道，从而给出dx²-y² 轨道主导的稳健层间配对s-波超导。
此外，La3Ni2O7表现出不可忽视的电子关联效应，因此在确定描述该体系超导性质的最简有效模型和阐释其超导机理的过程中，精确多体计算的开展是重要且必要的。在上述物理图像下，如果洪特耦合足够强，可以认为dz² 轨道仅作为传递层间相互作用的媒介，从而将其略去，作为替代引入 dx²-y² 轨道的有效层间超交换作用 J⊥，得到双层单轨道t-J-J⊥ 模型作为描述高压相 La3Ni2O7体系的等效最简模型（图1a）。这一简化抓住了决定系统超导性质的最重要特性，又极大地降低了计算量，使得大规模精确多体计算成为可能。
本工作中，联合团队对该模型开展了全面的多体计算研究，利用了三种不同手段，包括零温的密度矩阵重正化群（DMRG，有限尺寸系统）、无限大投影纠缠对态（iPEPS，热力学极限）和有限温度的切空间张量重正化群（tanTRG [2]），对双层单轨道t-J-J⊥ 模型展开多角度的精确计算。DMRG和iPEPS的计算结果表明，该模型在对应高压La3Ni2O7 体系的参数范围内表现出健壮的 s-波超导特性（图1b）。此外，超导机制的独特之处在于，虽然dx²-y² 电子获得了较强的层间反铁磁耦合，但其本身几乎没有层间跃迁，进而避免了层间“泡利排斥”对电子配对的破坏。有限温度tanTRG计算则细致描述了降温过程中超导建立的过程，估计了超导转变温度，给出温度-掺杂相图，得到与实验结果定性一致的结论（图1c）。本工作还指出，描述La3Ni2O7 体系的t-J-J⊥ 模型等价于近期在冷原子体系中实现的“混合维数 t-J” 模型，从而提供了连接超导材料研究和量子模拟的桥梁。
本工作以标题 “Bilayer t-J-J⊥ Model and Magnetically Mediated Pairing in the Pressurized Nickelate La3Ni2O7” 发表在 Phys. Rev. Lett. 132, 036502 (2024)。论文自公开在arXiv以来获得国际国内同行广泛关注，被引用50余次。国科大卡弗里所博士生曲行舟、屈代维和中国科学院理论物理研究所博士后陈佳林为该论文的共同第一作者，苏刚教授和李伟研究员为共同通讯作者。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。本工作得到了科技部、基金委和中国科学院等基金的支持。
文章链接：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)