本文采用第一性原理DFT+U方法，研究了不同稀土元素（Pr、Nd、Sm）掺杂La₃Ni₂O₇的晶体结构和电子性质趋势。计算表明，掺杂原子优先占据岩盐层中的La位，随掺杂离子半径减小（Pr→Sm），化学压力效应使晶胞体积单调递减，单斜到四方的结构转变压力依次升高，且该转变与超导电性的出现基本吻合，与实验观测一致。在高压四方相中，d_{z²}能带平坦化并穿越费米能级，出现d_{z²}特征的空穴型费米面，被视为超导电性的关键电子标志。随稀土离子尺寸减小，面内跳跃积分增强，而由于顶端Ni-O键长缩短，面外跳跃积分反而减弱。这些发现为理解稀土掺杂对双层Ruddlesden-Popper镍酸盐电子结构的影响及其与超导转变温度的关联提供了微观机理见解。
本研究采用DFT+DMFT方法，系统探讨了交替单层-双层Ruddlesden-Popper型镍酸盐La₅Ni₃O₁₁（1212-LNO）在正常态的电子结构和磁相关性。结果表明，结构上不同的单层和双层Ni离子表现出显著差异：双层Ni离子中的e_g态形成了强烈重整化的准粒子能带，其中Ni的x²-y²和3z²-r²轨道有效质量增强因子分别达到约3.5和4.2；而单层Ni离子的e_g态则呈现轨道选择莫特绝缘态，其中Ni的3z²-r²轨道具有窄能隙，x²-y²轨道则表现为金属性且强非相干（非费米液体）行为。磁相关分析表明，双层NiO₆板中可能形成自旋与电荷密度波交织的条纹，主要不稳定性对应波矢Q=(1/3,1/3)的“上-下-0”自旋图案，并与(1/4,1/4)的“上-上-下-下”双列条纹态竞争。单层Ni的3d电子则倾向于形成奈尔型磁序。在压力下，1212-LNO经历轨道选择莫特绝缘体-金属相变，伴随单层Ni e_g态的金属化，其近费米能级处呈现强非相干的非费米液体行为。总体而言，关联效应显著重构了磁相关性，使其从DFT预测的单层主导转变为双层主导，强调了层间约束和轨道依赖关联的关键作用。
本文采用基于第一性原理瓦尼尔函数的二轨道双层模型和连续格林函数方法，理论分析了超导双层镍酸盐薄膜的扫描隧道显微镜谱。研究发现，多轨道特性和瓦尼尔函数的空间各向异性导致局域态密度对针尖位置高度敏感：随着针尖高度增加，不同能带相干峰的相对权重发生显著变化，从而可通过距离依赖测量区分处于争议中的γ带与β带相干峰的轨道来源。此外，在含杂质的系统中，准粒子干涉图样能清晰分辨s波和d波超导序参量的对称性。该工作为实验上识别超导能隙的能带归属及配对对称性提供了明确的理论指导。
该研究针对受过渡金属双层体系启发的四分之一空穴填充双轨道双层哈伯德模型，通过分子轨道基矢显式处理dz2轨道的强层间成键，并投影高能电子态，推导出描述电子自旋与层赝自旋耦合的低能有效库格尔-霍姆斯基哈密顿量。结合外斯平均场理论与广义味道波理论，研究揭示了丰富的基态相图，包括铁磁与反铁磁伴随层交错电荷密度相、具有自发层间量子相干性的层相干相，以及一种新颖的最大自旋-层纠缠相。该纠缠相源于自发破缺至O(3)的涌现O(4)对称性，其激发谱呈现三个纠缠的无隙戈德斯通模式。结果揭示了强关联双层体系中通过几何驱动机制实现复合纠缠的可能，并为理解双层镍酸盐超导体及其他多组分关联材料提供了具体的理论框架。
通过制备周期性纳米孔阵列将无限层镍酸盐超导薄膜（Nd0.8Sr0.2NiO2）构建为约瑟夫森结阵列，研究人员系统地增强了系统的相位涨落。在纳米图案化的薄膜中，宏观相位相干的减弱驱动了超导转变呈现两阶段特征，并最终趋向于电阻饱和的反常金属基态。电荷2e量子振荡的出现表明了阵列间的相干性，而零场磁电阻反常峰则标志着极端量子相位涨落持续至极低温度。值得注意的是，通过纳米图案化与磁场的协同增强，在Nd-镍酸盐中观测到超导各向异性反转，即面内临界场低于面外临界场，该各向异性的演化可能揭示了与集体电子态耦合的内禀交换塞曼场。这些结果阐明了超导如何响应相位涨落而演化，并确立了纳米图案化作为揭示强关联系统中隐藏交织序的有效范式。
通过结合第一性原理计算与涨落交换-米格达-埃利阿什伯格理论，本文研究了无限层镍酸盐超导体中电子关联与电子-声子耦合的相互作用。研究发现，自旋涨落驱动Ni d_{x^2-y^2}轨道产生稳健的d波超导，而电子-声子耦合则在间隙轨道上诱导s波配对，二者协同形成s+id混合超导态。s波成分的涌现强烈依赖于载流子密度：中等电声耦合强度（λ=0.4）仅在电子密度n=0.9时稳定该混合态，在n=0.8时则无法实现。热力学极限下稳定s波所需的临界耦合约为0.6，但在有限尺寸体系中可降低至0.4。这些结果揭示，局部氧缺陷通过调制局域电子密度，可形成具有不同配对对称性的有限尺寸畴,从而为实验中观测到的空间非均匀超导能隙提供了微观解释，并强调了关联效应与电声耦合协同作用对镍酸盐超导配对对称性的关键影响。
通过第一性原理计算和大规模动态簇量子蒙特卡洛模拟，该工作系统研究了电子掺杂对三种代表性体系（常压与15 GPa下的块体La₃Ni₂O₇，以及异质结La₃Ni₂O₇:La₃Al₂O₇）的双轨道双层模型超导性质的影响。结果表明，电子掺杂普遍增强了s±波配对超导，其中异质结在欠掺杂区表现出最高的超导转变温度，甚至超过15 GPa加压下的块体样品。进一步分析发现了一种轨道间协同机制：d_{z²}轨道上的配对诱导了d_{x²-y²}轨道上的配对，后者在低温下逐渐占据主导，形成双轨道协作的超导不稳定性。这一结论在两种不同簇尺寸的模拟中均得到验证。该研究为电子掺杂Ruddlesden-Popper相镍酸盐中增强超导性提供了理论预测，并提出了异质结这一可行的实验实现路径，期待未来实验验证。
本研究通过固相法合成了不同钠掺杂浓度的La₃₋ₓNaₓNi₂O₇₊δ多晶样品，利用X射线衍射、热重分析、磁化率和电阻率测量系统研究了其结构、热、磁和电输运性质。X射线衍射分析表明，当钠掺杂浓度x≥0.075时，样品会发生从‘327’ Amam相到‘4310’ Bmab相的结构转变，且晶格逐渐膨胀。电阻率测量显示，钠掺杂显著增强了金属性，同时密度波转变温度略微降低；施加外部压力可进一步抑制密度波转变，但低温绝缘行为对压力不敏感。这些结果揭示了钠替代镧引入的空穴掺杂能有效调控层状镍酸盐中竞争电子相，为理解元素替代和载流子掺杂在稳定高压超导相中的作用提供了关键实验依据。
Evidence for charge and spin density waves in single crystals of La₃Ni₂O₇ and La₃Ni₂O₆
利用超快太赫兹光谱技术，对Tc为20 K的无限层钐镍氧化物薄膜进行了光学泵浦-太赫兹探测实验，测量光致电导随温度的变化。在弱激发下，光致破坏的超流密度与平衡态超流密度成正比，其随温度升高呈线性下降，符合干净极限d波配对特征。从该线性关系提取出超导能隙为2.5 meV，2Δ/kTc约等于3，表明体系处于弱耦合区间。同时，独立估算得到平均自由程与相干长度之比(l/ξ)约为1.5，进一步确认干净极限行为。这些结果证明镍氧化物超导体可实现干净超导态，并揭示其配对机制与铜氧化物高温超导体存在密切相似性。