[論文レビュー] Bilayer $t$-$J$-$J_\perp$ Model and Magnetically Mediated Pairing in the Pressurized Nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$

Xing-Zhou Qu, Dai-Wei Qu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 46被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、圧力下の La3Ni2O7 に対する bilayer t-J-J_perp モデルを提案し、最先端のテンソルネットワーク手法を用いて層間磁性媒介の s 波超伝導性の頑健性を示す。代数的な対配対相関、準熱力学極限での非ゼロな超伝導秩序、そして高 Tc に類する温度スケールを見出す。

ABSTRACT

The recently discovered nickelate superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$ has a high transition temperature near 80 K under pressure, which offers additional avenues of unconventional superconductivity. Here with state-of-the-art tensor-network methods, we study a bilayer $t$-$J$-$J_\perp$ model for La$_3$Ni$_2$O$_7$ and find a robust $s$-wave superconductive (SC) order mediated by interlayer magnetic couplings. Large-scale density matrix renormalization group calculations find algebraic pairing correlations with Luttinger parameter of $K_{ m SC} \simeq 1$. Infinite projected entangled-pair state method obtains a nonzero SC order directly in the thermodynamic limit, and estimates a strong pairing strength $\barΔ_z \sim \mathcal{O}(0.1)$. Tangent-space tensor renormalization group simulations further determine a high SC temperature $T_c^*/J \sim \mathcal{O}(0.1)$ and clarify the temperature evolution of SC order. Because of the intriguing orbital selective behaviors and strong Hund's rule coupling in the compound, $t$-$J$-$J_\perp$ model has strong interlayer spin exchange (while negligible interlayer hopping), which greatly enhances the SC pairing in the bilayer system. Such a magnetically mediated strong pairing has also been observed recently in the optical lattice of ultracold atoms. Our accurate and comprehensive tensor-network calculations reveal robust SC order in the bilayer $t$-$J$-$J_\perp$ model and shed light on the high-$T_c$ superconductivity in the pressurized nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$.

研究の動機と目的

• 加圧下の La3Ni2O7 における超伝導機構の探索を動機づけ、強結合 bilayer モデルの有効性を評価する。
• 軌道選択的ニッケライト物理に由来する bilayer t-J-J_perp モデルを構築・分析する。
• 層間磁気交換が超伝導対形成を媒介・増強できるかを判断する。
• 基底状態の対称性と有限温度での対形成挙動を特徴づける。
• 基底状態と有限温度の手法を横断してテンソルネットワーク結果の頑健性を確立する。

提案手法

• 軌道選択的ニッケライト像から、層内の t および J、層間 J_perp を含む bilayer t-J-J_perp モデルを構築し、層間ホッピング t_perp を除外する。
• Finite-width ラダーに対して DMRG を用い、対対称性相関 Phi_zz(r) と Luttinger パラメータ K_SC を抽出する。
• 無限射影エンタングルドぺア状態（iPEPS）を用いて熱力学極限で非零の超伝導秩序を得、bar{Delta}_z を推定する。
• 接線空間テンソルリノルマライゼーション群（tanTRG）を適用して有限温度特性を研究し、T_l および T_c^* を決定する。
• 結合エネルギー E_b、対称性の感受性 chi_SC、密度・スピン相関を計算して対形成機構を診断する。
• 層間ホッピング t_perp および電荷/軌道密度パターンが SC や CDW 傾向に及ぼす影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 bilayer t-J-J_perp モデルは、層間磁気交換によって媒介される頑健な層間（ z 方向）超伝導対形成を支持するか。
• RQ2 熱力学極限における超伝導秩序パラメータの性質（s 波）と強さはどうなるか。
• RQ3 有限温度スケールである T_l および T_c^* は J_perp およびホール密度とどのように変化し、磁気・電荷の揺らぎとどう関連するか。
• RQ4 CDW などの競合相と対形成の抑制に対して、層間ホッピング t_perp の役割はどのようか。
• RQ5 高圧下の La3Ni2O7 の物性は、磁性媒介対形成を持つ mixD bilayer 系へどう写像されるか。

主な発見

• bilayer t-J-J_perp モデルにより、層間 AF 交換 J_perp によって層間の s 波超伝導秩序が頑健に現れる。
• DMRG は代数的対相関を示し、Luttinger パラメータ K_SC が約1に近く、準長範囲の SC 秩序を示唆；iPEPS は熱力学極限で非零の SC 秩序を確認し、J_perp = 4 の場合 bar{Delta}_z が約0.16。
• 有限温度の tanTRG は T_l で SC の出現を示し、T_c^* 以下で chi_SC が幾何的発散に近い代数的挙動を示し、指数は約1、T_l/J は約0.25–0.6、T_c^*/J は約0.12–0.25（J_perp に依存）である。
• 層間対形成は J_perp によって強く高まるが、Pauli 遮蔽による層間ホッピング t_perp によって抑制されるため、実験での圧力誘導の層間トンネルは SC を抑制する可能性がある。
• 電荷密度波の傾向は、小さな J_perp や異なる密度で現れ、SC 相境界と La3Ni2O7 の常圧時の挙動との関連を示す。
• 対形成機構は磁性媒介層間対形成として位置づけられ、混合ディット系の超低温原子実現とも関連し、d_x^2−y^2 および d_z^2 軌道を結ぶ強い Hund の結合によって支持される。