近日，西北大学物理学院司良教授研究团队与合作者在新型高温超导材料的理论设计方向取得重要进展。团队成员结合密度泛函理论、瓦尼尔函数、动力学平均场近似、动力学顶点近似等理论计算方法，对于具有准二维晶体结构的氟化物体系进行了系统性理论模拟，成功预测以KPdF2为代表的新型氟化物体系为潜在的类铜基氧化物高温超导材料，为探索新的超导体系提供新的方向。该成果以“Single-band fluorides akin to infinite-layer cuprate superconductors”（《具有类无限层铜氧化物超导特征的单带氟化物》）为题，发表于Nature旗下中科院一区top期刊《npj Quantum Materials》。

对无限层镍氧化物超导体的研究显示，与铜氧化物类似的单带费米面结构被认为是实现非常规高温超导的关键要素。为寻找更多此类材料，研究团队采用密度泛函理论与动力学平均场理论，深入研究了两种无限层结构氟化物KNiF2和KPdF2。计算表明，这两种材料的母体均呈现出二维反铁磁莫特绝缘态，具备在热力学和动力学上稳定的晶体结构和强电子关联特性，其费米面具有典型的二维单带特征，与铜基超导母体材料高度相似，具有高温超导态的潜质。

进一步研究发现：在KNiF2中，过强的电子关联反而抑制了超导所必需的自旋涨落，导致其无法实现超导态；而在KPdF2中，电子关联强度适中，展现出良好的可调控性。团队进一步利用动力学顶点近似这一先进多体计算方法进行超导温度精确计算，发现通过特定衬底结合掺杂调控可有效诱导KPdF2产生高温超导。例如，在SrTiO3衬底上结合20%空穴掺杂，或在MgO衬底上结合10%电子掺杂，其理论超导转变温度可分别提升至65K和63K。该研究工作不仅理论预言了KPdF2这一全新的高温超导候选材料，更重要的是通过对比研究，阐明了对于二维Hubbard模型而言，电子关联强度存在一个“最优窗口”——关联性过强或过弱均不利于超导，这为理解非常规超导的微观物理机制提供了关键视角。研究成果为实验科学家合成与探索超越镍氧化物超导体系的新一代超导材料提供了理论方向。该研究项目主要由西北大学、中国科学院固体物理研究所、中国科学技术大学、维也纳技术大学共同完成，司良教授合作指导的联合培养博士研究生吴文丰为第一作者，合作者包括物理学院2023级硕士研究生高瑛、维也纳技术大学Eric Jacob博士、Viktor Christiansson博士以及中国科学院固体物理研究所曾雉教授。司良教授为第一通讯作者，维也纳技术大学Karsten Held教授为共同通讯作者。

司良教授团队近年来在强关联电子体系，尤其强关联超导体领域发表多篇重要研究工作，相关成果发表于Science、Physical Review Letters、Advanced Materials等重要期刊。上述研究成果为设计和实现新型高温超导材料提供了指导和理论依据。未来，随着样品合成技术的进步，该理论有望在实际材料中得到验证，推动新型超导材料的研究和应用。西北大学物理学院将继续致力于强关联电子体系与新型超导材料的研究，探索更多具有潜在应用价值的量子体系，为推动量子材料与超导技术的发展贡献力量。

该系列工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、陕西省高层次人才计划青年项目、陕西省重点研发计划、奥地利政府科学基金国际合作项目的支持。