镍酸盐 $Ln_{n+1}$Ni$_n$O$_{2n+2}$ 的电子结构与拓扑性质

在空穴掺杂镍酸盐化合物 Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ 的重大发现之后，分析其电子结构、轨道成分、费米面与能带拓扑有助于理解其超导机制。基于第一性原理计算，我们发现 Ni $3d_{x^2-y^2}$ 态贡献了最大的费米面。$Ln~5d_{3z^2-r^2}$ 态在 $\Gamma$ 处形成电子袋，而 $5d_{xy}$ 态在 A 处形成相对更大的电子袋。这些费米面与对称性特征可由我们的两带模型重现，该模型由两个基本能带表示组成：$B_{1g}@1a~\oplus~A_{1g}@1b$。我们发现 A 附近存在能带反转，一旦计入自旋轨道耦合，便在 A--M 方向费米能级以下产生一对狄拉克点。此外，我们进行了 LDA+Gutzwiller 计算以处理 Ni 3d 轨道的强关联效应。特别地，$3d_{x^2-y^2}$ 的带宽被大幅重整化。在关联能带重整化后，Ni $3d_{xy}$ 态与狄拉克点变得非常接近费米能级。因此，空穴掺杂可在 A 处引入空穴袋，这可能与观测到的霍尔系数变号有关。通过引入额外的 Ni $3d_{xy}$ 轨道，空穴袋能带与能带反转可在我们修正的模型中得到体现。此外，我们讨论了铁磁双层化合物 La$_3$Ni$_2$O$_6$ 中的非平庸能带拓扑，且该能带反转与 Ni $3d_{x^2-y^2}$ 和 La $5d_{xy}$ 轨道相关。