近日，中山大学物理学院、本实验室的姚道新教授在双层镍氧超导体的稀土元素掺杂理论研究中取得重要进展，针对化学压力如何调控镍氧超导体La3Ni2O7超导转变温度的问题展开了系统的理论研究，在理论上清晰揭示了稀土元素掺杂提升超导转变温度Tc的非单调特征及物理机制。
自双层镍氧超导体La3Ni2O7的高温超导电性发现以来，镍氧超导体引起了凝聚态物理领域的广泛关注。一个关键的挑战在于如何进一步提升超导转变温度。通过镧位替换稀土元素引入化学压力在铁基超导体中被证实是调控超导转变温度的有效手段。然而，实现完全替换稀土元素在实验层面仍存在重大挑战。因此，部分掺杂对镍氧超导体La3Ni2O7的晶体结构、电子性质和超导机制的影响成为一个至关重要的问题。
姚道新教授团队通过密度泛函理论与重整化平均场理论系统研究了Nd掺杂La3Ni2O7体系。第一性原理计算表明，Nd掺杂会导致晶格常数和Ni的层间距减小，产生类似物理加压的影响。然而，面内Ni-O-Ni键角随掺杂浓度增加呈现非单调变化趋势：在70%（约2/3）Nd掺杂浓度时达到最大值，随后在80%掺杂时急剧减小。此外，相较于Ni-dx2-y2轨道，Nd掺杂对Ni-dz2电子能带的影响更为显著，揭示了稀土掺杂具有轨道依赖性。基于双层两轨道t−J模型的重整化平均场理论结果表明体系具有s±波配对对称性，且超导转变温度在约70% Nd掺杂时达到峰值而后下降。超导转变温度的变化是持续增强的层间超交换耦合Jz与逐渐降低的轨道电子占据数之间竞争的结果。该研究揭示了结构调控、轨道杂化与超导电性之间微妙的关联效应，对其它稀土元素Sm、Pr、Tb、Yb等的掺杂效应有重要的指导意义,为设计更高超导转变温度的镍氧超导体提供了重要线索。
图1：（a）Nd掺杂La3Ni2O7的晶体结构。Nd掺杂La3Ni2O的层间超交换耦合（b）和超导温度（c）随掺杂浓度的变化趋势。
该研究成果以“Electronic structures and superconductivity in Nd-doped La3Ni2O7”为题发表于一区期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版（Science China Physics, Mechanics & Astronomy 69, 247414 (2026)）。中山大学物理学院、本实验室博士研究生陈翠群、邱文渊为论文的共同第一作者，中山大学王猛教授、罗志辉博士后参与该研究工作，中山大学姚道新教授为论文的通讯作者。理论研究工作依托物理学院公共科研平台和中子科学平台、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科中心、光电材料与技术国家重点实验室、高等学术研究中心、粤港澳大湾区（广东）量子科学中心等支持。计算工作依托中山大学国家超级计算广州中心。
上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划领军人才项目等的资助。
