[論文レビュー] Bilayer two-orbital model of La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure

Zhihui Luo, Xunwu Hu+3 more|PubMed|May 24, 2023

Iron-based superconductors research参考文献 50被引用数 35

ひとこと要約

著者らは高圧域（≈29.5–14 GPa regime）下のLa3Ni2O7に対する最小二重層二軌道モデルをDFT Wannierダウンフォールドに基づいて構築し、フェルミ表面のトポロジーを分析し、RPA内のスピン感受性を研究して超伝導への含意を論じる。

ABSTRACT

The newly discovered Ruddlesden-Popper bilayer La_{3}Ni_{2}O_{7} reaches a remarkable superconducting transition temperature T_{c}≈80 K under a pressure of above 14 GPa. Here we propose a minimal bilayer two-orbital model of the high-pressure phase of La_{3}Ni_{2}O_{7}. Our model is constructed with the Ni-3d_{x^{2}-y^{2}}, 3d_{3z^{2}-r^{2}} orbitals by using Wannier downfolding of the density functional theory calculations, which captures the key ingredients of the material, such as band structure and Fermi surface topology. There are two electron pockets, α, β, and one hole pocket, γ, on the Fermi surface, in which the α, β pockets show mixing of two orbitals, while the γ pocket is associated with Ni-d_{3z^{2}-r^{2}} orbital. The random phase approximation spin susceptibility reveals a magnetic enhancement associated with the d_{3z^{2}-r^{2}} state. A higher energy model with O-p orbitals is also provided for further study.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7の高圧相における本質的な低エネルギー自由度を特定することにより、高圧超伝導状態を動機付け・理解する。
• DFTバンド構造およびFermi surfaceをE_F付近で再現する最小の二重層二軌道厳密結合モデルを提供する。
• 軌道内容と可能な結合機構を結びつけるために、RPAスピン感受性を通じて磁気ゆらぎを探索する。

提案手法

• La3Ni2O7の高圧相のDFTバンド構造のWannierダウンフォルドから bilayer two-orbital tight-bindingモデルを構築する。
• 基底ベクトルPsi_sigma=(d_Ax, d_Az, d_Bx, d_Bz)^Tを定義し、H(k)=[[H_A(k), H_AB(k)],[H_AB(k), H_A(k)]]、層内・層間ハッピングを式(4)のように構築する。
• オンサイトクーロン相互作用をU, U', Jで含み、H_Uを用いて適用する。
• 鏡対称性を用いてH_±(k)として結合/非結合部門にブロック対角化する（式(12)のように）。
• Ni-dおよびO-p状態を含む11軌道モデルへダウンフォールドし、O-pバンドを統合する Löwdinダウンフォルドの可能性について議論する。
• RPAを用いてχ_S^(st)(q,iω_n)およびΓを式(13)–(19)のように計算し、軌道分解された磁気ゆらぎを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La3Ni2O7の高圧電子構造をE_F付近で捉えるために必要な最小の軌道内容と bilayer 構造は何か。
• RQ2 フェルミ表面のトポロジー（α, β電子ポケットおよび γ空孔ポケット）は軌道特性および高圧下の潜在的結合チャネルとどう関連するか。
• RQ3 RPAフレームワークにおける運動量・軌道分解されたスピン感受性はどのようで、どの軌道が磁気ゆらぎを支配するか。
• RQ4 この二重層系における層間結合とd_{3z^2−r^2}占有が、銅酸化物とは異なる結晶対称性を伴う非自明な超伝導にどのような影響を及ぼす可能性があるか。

主な発見

• 高圧下のDFTに基づくバンド構造は、E_F近傍でNi-d_x2−y2とNi-d_3z2−r2が支配的であることを示し、d_3z2−r2由来のT点の空孔ポケットと、混成軌道由来のα, β電子ポケットを持つ。
• 最小の bilayer 二軌道モデルはDFTのバンド構造とフェルミ表面を再現し、d_3z2−r2セクターを大きく分裂させる強い層間結合t_bot^zを示す。
• フェルミ表面は、軌道混成のα, β電子ポケットと、d_3z2−r2が支配的なγ空孔ポケットから成り、ポケットごとに異なる軌道組成を反映している。
• RPAスピン感受性は、γポケットのフェルミ表面のネステングと一致する、主に同じ軌道内のd_3z2−r2ゆらぎを伴うリング状の磁気強化を示す。
• Ni-dとO-p状態を含む11軌道モデルを提示し、高エネルギー物理を捉え、DMFTなどのより複雑な相関を組み込む道筋を示唆する。
• 本研究は層間のd_3z2−r2結合が強く、cupratesとは異なる結合対称性の可能性を示唆し、圧力下の電子-phonon効果の将来的な探索の可能性を提案している。