2024年6月5日,Nature在线发表了清华大学王亚愚教授、中山大学王猛教授、南京大学卢毅教授和中科院物理所陈震教授课题组的研究论文,题目为《Visualization of oxygen vacancies and self-doped ligand holes in La3Ni2O7-δ》,论文的第一作者为Zehao Dong、Mengwu Huo和Jie Li。
二十多年来,作为铜氧化物的类似物,镍氧化物一直是高温超导的候选材料。第一种镍氧化物超导体,空穴掺杂的无限层RNiO2(R表示稀土元素),在环境条件下达到约20 K的转变温度(Tc),在压力下达到31 K。最近在转变温度约为80 K的高压下发现了La3Ni2O7-δ的超导性,这引发了广泛的实验和理论研究。关于配对机制的几个关键问题仍有待回答,例如最相关原子轨道和原子缺陷的作用。
在此研究中,作者开发了一种新的、能量过滤的、多层电子叠层(MEP)技术,并辅以电子能量损失谱(EELS),从而来解决这些关键问题。氧空位可以直接可视化,并发现其主要占据内部顶端位置,这被认为对超导性至关重要。研究精确确定了纳米级化学计量及其与氧K边光谱的相关性,这揭示了样品中氧含量和电子结构的显著不均匀性。光谱结果还表明,化学计量的La3Ni2O7具有很强的电荷转移特性,空穴从Ni位点自掺杂到O位点。
配体空穴主要位于内顶端O和平面O上,而外顶端O上的密度可忽略不计。随着O空位浓度的增加,两个位点上的配体空穴同时湮灭。这使得La3Ni2O7-δ在Zaanen-Sawatzky-Allen方案中更接近电荷转移机制,而超导无限层镍氧化物则处于相反的Mott-Hubbard机制。观测结果将有助于进一步发展和理解超导镍氧化物材料。这项研究中用于量化原子缺陷的成像技术也可以广泛应用于材料科学和凝聚态物理。

图2 La3Ni2O7-δ中氧空位的实验可视化与统计图3 La3Ni2O7-δ的O K边EELS和空位分布
图5 基于DFT+U计算的O-p轨道分辨能带结构和EELS
Dong, Z., Huo, M., Li, J. et al. Visualization of oxygen vacancies and self-doped ligand holes in La3Ni2O7-δ. Nature, 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07482-1
【其他相关文献】
[1] Sun, H., Huo, M., Hu, X. et al. Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure. Nature, 2023, 621, 493–498. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06408-7[2] Luo, Z., Hu, X., Wang, M. et al. Bilayer two-orbital model of La3Ni2O7 under pressure. Phys. Rev. Lett., 2023, 131, 126001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.126001[3] Christiansson, V., Petocchi, F. & Werner, P. Correlated electronic structure of La3Ni2O7 under pressure. Phys. Rev. Lett., 2023, 131, 206501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.206501[4] Sakakibara, H., Kitamine, N., Ochi, M. et al. Possible high Tc superconductivity in La3Ni2O7 under high pressure through manifestation of a nearly-half-filled bilayer hubbard model. Phys. Rev. Lett., 2024, 132, 106002. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.106002[5] Lu, C., Pan, Z., Yang, F. et al. Interlayer-coupling-driven high-temperature superconductivity in La3Ni2O7 under pressure. Phys. Rev. Lett., 2024, 132, 146002. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.146002[6] Jiang, R., Hou, J., Fan, Z. et al. Pressure driven fractionalization of ionic spins results in cupratelike high-Tc superconductivity in La3Ni2O7. Phys. Rev. Lett., 2024, 132, 126503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.126503
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