日本理化學研究所的物理學家計算揭示了鎳氧化物材料中電子的行為，這可能有助於尋找高溫超導體。超導體可以無電阻地攜帶電流，被用來製造強大的電磁鐵或測量磁場的靈敏儀器。傳統超導電性依賴於一種只有在極低溫度下才會發生的電子配對形式，因此超導裝置必須用昂貴的液化氣來冷卻。但大約30年前，研究人員發現，一些銅酸鹽材料可以在相對溫暖的溫度下成為超導體。

最高可達−140攝氏度，這種高溫超導的根本原因仍不清楚。2019年研究人員發現，摻鍶的釹鎳氧化物(Nd0.8Sr0.2NiO2)可以在−258攝氏度以下超導。這一發現之所以引起科學家的注意，不是因為溫度，而是因為這種鎳酸鹽材料的晶體結構與銅酸鹽非常相似，可以作為一個試驗檯，更好地了解這些材料的超導工作原理，鎳酸鹽材料由Nd和NiO2交替層組成。

日本理化學研究所應急物質科學中心的野村裕介和同事們現在研究了這兩層中某些電子之間的相互作用如何影響超導電性。該團隊的計算顯示，NiO2層中的電子相互作用很強，這類似於CuO2層中的強關聯被認為在其高溫超導中發揮了關鍵作用。然而，在鎳酸鹽和銅酸鹽之間有一個不同之處：在鎳酸鹽中，釹層中的電子被部分佔據並形成費米袋。費米袋是布里淵區中被費米麵包圍的一個相對較小的區域，這些口袋不會出現在銅酸鹽中。

這可能會使這種含鎳材料不是銅酸鹽的完美類似物。​研究團隊使用計算模型來研究是否可以通過調整材料的化學成分來消除口袋，從而建立一種與銅酸鹽更匹配的鎳酸鹽。發現有兩種化合物可以滿足要求：氧化釹鈉(NaNd2NiO4)和氧化鈣鎳鈉(NaCa2NiO3)。研究人員表示：如果鎳酸鹽被合成，它們將是真正的銅酸鹽超導體的鎳類似物。研究的下一步是以更系統的方式，證明鎳酸鹽和銅酸鹽之間的區別和相似之處，並對這兩個系統的超導機制有更深入的了解。

（上圖所示）電子在穿過鎳酸鹽材料的NiO2層時相互作用很強，這可以作為高溫超導(鎳=灰色，氧=紅色)的模型。圖片：RIKEN Center for Emergent Matter Science

受無限層鎳酸鹽Nd0.8Sr0.2NiO2中超導電性的實驗發現的啟發，研究了NiO2層中關聯的Ni3dx2−y2電子如何與Nd層中的電子相互作用。​研究結果表明，表示費米能級附近的電子結構需要三個軌道：Ni3dx2−y2，Nd5d3z2−R2，以及由Nd層中的間隙s軌道和Nd5dxy軌道組成的成鍵軌道。通過建立這些態的三軌道模型，研究發現Ni3dx2−y2態與Nd層中的態之間的雜化很小。

同時還發現，Nd層的金屬遮蔽效果不是很好，因為它只使Ni3dx2−y2電子之間的Hubbard U降低了10%-20%。另一方面，電-聲子耦合不足以調節Tc-∼10K的超導電性。NdNiO_2擁有一個幾乎孤立的關聯3dx2-−-y2軌道系統。還進一步研究了在Mott-Hubbard區域實現更理想單軌道系統的可能性。當間隙s態和Nd5dxy態之間的雜化變小時，由Nd層態形成的費米口袋急劇縮小。通過廣泛的材料搜尋，發現在NaNd2NiO4和NaCa2NiO3中費米口袋幾乎消失。

​DOI: 10.1103/PhysRevB.100.205138