磁性を維持したままニッケル酸化物を金属化(Pressure Turns a Nickelate Metallic Without Erasing Its Magnetism)

2026-10-20 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物質科学研究院の研究チームは、第一原理計算を用いて、層状ニッケル酸化物La₂NiO₄の電子状態と磁気秩序に対する圧力およびストロンチウム(Sr)添加の影響を解明した。計算の結果、圧力を高めると絶縁体のエネルギーギャップが徐々に縮小し、約50 GPaで閉じて金属状態へ転移する一方、75 GPaでもG型反強磁性秩序が維持されることが分かった。これは、隣接するNi–O層間の磁気結合が比較的弱く、圧力によって層内の電子移動を変化させても、磁気秩序が失われにくいためと考えられる。一方、La原子の一部をSrで置換すると、正孔が導入され、磁気秩序が変化する。Sr濃度の増加に伴い複数の磁気転移が生じ、高濃度では強磁性状態が予測されたが、Sr濃度が最大の条件でも絶縁性は維持された。本成果は、圧力と元素置換による電子状態・磁性の独立した制御に関する理解を深め、高圧下のニッケル酸化物や超伝導関連材料の研究に役立つ知見である。研究成果は Physical Review B に掲載された。

磁性を維持したままニッケル酸化物を金属化(Pressure Turns a Nickelate Metallic Without Erasing Its Magnetism)
(a) Crystal structure of La2NiO4, with blue polyhedra representing NiO6 octahedra. (b) G-type AFM arrangement; arrows indicate the Ni spin directions. (c, d) Orbital-projected band structures at 0 and 50 GPa, respectively. The red dashed line marks the Fermi level. The band gap closes near 50 GPa. (Image by WANG Hanyu)

<関連情報>

ラドルスデン・ポッパーにおける磁気秩序と金属化の圧力およびドーピング制御La2⁢NiO4 Pressure and doping control of magnetic order and metallization in Ruddlesden-Popper La2⁢NiO4

Han-Yu Wang, Shu-Hong Tang, Xiao-Teng Huang,, Ya-Min Quan, Xian-Long Wang, Yan-Ling Li, Hao Chen, Da-Yong Liu, Hai-Qing Lin et al.
Physical Review B  Published: 14 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/9736-nl72

Abstract

The discovery of superconductivity in multilayer nickelates under pressure has intensified interest in understanding the magnetic and electronic properties of Ruddlesden-Popper nickelates. Using density functional theory with Hubbard corrections, we investigate the magnetic ground state, electronic structure evolution under pressure, and Sr-doping effects in La2⁢NiO4. We find that at ambient pressure, tetragonal La2⁢NiO4 exhibits -type antiferromagnetic order with negligible interlayer magnetic coupling. Under hydrostatic pressure, the system undergoes a continuous insulator-metal transition at 50 GPa while maintaining robust magnetic order, contrasting sharply with the rapid magnetic suppression in La3⁢Ni2⁢O7. Sr doping leads to a sequence of magnetic ground states in our calculations: from type to type, to striped antiferromagnetic orders, and, eventually, to ferromagnetic order, accompanied by metallization. Furthermore, LaSrNiO4 displays weak charge and orbital orders. These results reveal the unique pressure and doping effects of single-layer nickelates and provide insights into the magnetic mechanisms underlying nickelate superconductivity.

0703金属材料
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