拉伯-波珀相位 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 中错综电荷与自旋不稳定性

镍基超导体的研究从无限层 LaNiO$_2$ 推进到有限层 La$_{6}$Ni$_{5}$O$_{12}$，最近发展到 Ruddlesden-Popper 相 La$_3$Ni$_2$O$_7$，在约 16 GPa 压力下发现出现约 80 K 的超导性。与无限层镍盆中主要由 $d_{x^2-y^2}$ 轨道驱动的超导性不同，La$_3$Ni$_2$O$_7$ 中 Ni-$d_{z^2}$ 和 O-2$p$ 轨道对低能态及其可能的超导电子配对机制有显著贡献。本文采用密度泛函计算和包含局部交换与库仑相互作用的多轨道多原子簇精确对角化方法，分析了 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 双层相中相关 Ni$_2$O$_9$ 簇的压力依赖低能电子态。通过涉及 Ni-$3d_{3z^2-r^2}$ 轨道和原子 Hund 定则交换、桥接的 apical 氧-$2p_z$ 轨道以及构成局部张量-赖sing态的轨道，量化了 Ni$_2$O$_9$ 簇的各种可能自旋态及交换与超交换机制。我们发现，无论是对于 nominal 价值还是考虑局部电荷波动的情形，贡献于簇基态的主要配置都不涉及对 apical 氧的占据，相反它们倾向于在氧配体空穴与 Ni $3d_{z^2-y^2}$ 轨道之间形成平面张量-赖sing态。我们还指出了两种可能的电荷和自旋有序态，这两种态在我们模型下的相关压力范围内几乎是退化的。