[论文解读] Modulation of the Octahedral Structure and Potential Superconductivity of La$_3$Ni$_2$O$_7$ through Strain Engineering

Zihao Huo, Luo, Zhihui+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2024

Inorganic Chemistry and MaterialsChemistry被引用 3

一句话总结

本研究提出，在La₃Ni₂O₇中沿c轴施加约2 GPa的单轴压缩应变，可通过调节费米能级处的Ni-dz²电子密度（n_z^EF）诱导超导性，该参数与观测到的P-T相图中‘直角三角形’形状的超导穹顶强烈相关。第一性原理计算表明，应变引起的晶格畸变改变了八面体结构，增强了能带嵌套和费米面一致性，从而促进超导性。

ABSTRACT

The recent transport measurement of La$_3$Ni$_2$O$_7$ uncover a "right-triangle" shape of the superconducting dome in the pressure-temperature (P-T) phase diagram. Motivated by this, we perform theoretical first-principles studies of La$_3$Ni$_2$O$_7$ with the pressure ranging from 0 to 100 GPa. Notably, we reveal a pressure dependence of the Ni-$d_{z^2}$ electron density at the Fermi energy ($n_z^{EF}$) that highly coincides with such shape. On this basis, we further explore the electronic structure under uniaxial stress. By tracking the stress response of $n_z^{EF}$, we propose that superconductivity can be achieved by applying only about 2 GPa of compression along the c axis. The idea is further exemplified from the perspectives of lattice distortion, band structure, Fermi surface and superconducting phase coherence. We also discuss the possible charge modulation under the stress and provide an insight to the relation between n_z^EF and the superconducting Tc in La$_3$Ni$_2$O$_7$ system. Our study provides a helpful guide to the future experiment.

研究动机与目标

• 理解La₃Ni₂O₇压力-温度相图中观测到的‘直角三角形’超导穹顶的起源。
• 研究应变工程，特别是沿c轴的单轴应力，如何调控电子结构并促进超导性。
• 建立费米能级处Ni-dz²电子密度（n_z^EF）与超导转变温度（Tc）之间的定量关联。
• 探讨在应变作用下晶格畸变、能带结构演化及费米面重构在实现超导相一致性的角色。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，研究La₃Ni₂O₇在0至100 GPa静水压下的行为。
• 沿c轴施加单轴应力以模拟应变效应，分析不同应变水平下的电子结构和晶格参数。
• 将Ni-dz²轨道对费米能级态密度的贡献（n_z^EF）作为超导倾向性的关键电子描述符进行追踪。
• 评估晶格畸变、能带结构、费米面拓扑及超导相一致性随施加应变的变化。
• 检查应变下的电荷调制模式，评估其在增强电子配对中的潜在作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在La₃Ni₂O₇中，费米能级处的Ni-dz²电子密度（n_z^EF）如何随施加压力和应变变化？其是否与观测到的超导穹顶相关？
• RQ2 沿c轴的单轴压缩应变是否能在La₃Ni₂O₇中诱导超导性？若能，其应变大小为多少？
• RQ3 晶格畸变和八面体结构调制在增强超导相一致性方面起什么作用？
• RQ4 应变下能带结构和费米面拓扑的变化如何影响超导配对机制？
• RQ5 在La₃Ni₂O₇超导性的背景下，电荷调制与n_z^EF之间存在何种关系？

主要发现

• 在c轴方向施加约2 GPa的单轴压缩应变，可显著增强费米能级处的Ni-dz²电子密度（n_z^EF），并与超导性的出现密切相关。
• n_z^EF随压力的变化与P-T相图中‘直角三角形’形状的超导穹顶高度吻合，表明n_z^EF是关键控制参数。
• 应变引起的晶格畸变导致费米面重构并增强能带嵌套，从而促进超导相一致性。
• 应变下能带结构的演化揭示了有利于电子配对的增强杂化和嵌套特征。
• 应变下出现电荷调制模式，可能通过增强电子关联效应来稳定超导态。
• 本研究识别出一条可行的实验路径——在约2 GPa的单轴应变下，可在不施加极端压力的条件下实现La₃Ni₂O₇中的超导性。