[論文レビュー] Correlated electronic structure of La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure

Viktor Christiansson, Francesco Petocchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

High-pressure geophysics and materials参考文献 6被引用数 18

ひとこと要約

本論は、高圧下の La3Ni2O7 の相関電子構造を GW、DMFT、 EDMFT、および GW+EDMFT を用いて調べ、非局所的 screening による d_z^2 を活性軌道とする電荷ストライプ不安定性を明らかにする。

ABSTRACT

Recently, superconductivity with a $T_c$ up to 78 K has been reported in bulk samples of the bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ at pressures above 14 GPa. Important theoretical tasks are the formulation of relevant low-energy models and the clarification of the normal state properties. Here, we study the correlated electronic structure of the high-pressure phase in a four-orbital low-energy subspace using different many-body approaches: $GW$, dynamical mean field theory (DMFT), extended DMFT (EDMFT) and $GW$+EDMFT, with realistic frequency-dependent interaction parameters. The nonlocal correlation and screening effects captured by $GW$+EDMFT result in an instability towards the formation of charge stripes, with the $3d_{z^2}$ as the main active orbital. We also comment on the potential relevance of the rare-earth self-doping pocket, since hole doping suppresses the ordering tendency.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7 under pressure での低エネルギーモデル化を最小限に留めて超伝導性を理解する。
• 非局所 screening と相関が DFT の余像をどのように修正するかを高度な多体手法で評価する。
• 低エネルギー物理を支配する Ni 軌道と潜在的な秩序傾向を特定する。
• La 自己ドーピングポケットの役割と相関効果への影響を探る。

提案手法

• bilayer の二つの Ni サイト上の d_{x^2−y^2} および d_{z^2} Wannier 関数を用いた四軌道の低エネルギーモデルを構築する。
• cRPA からの周波数依存相互作用を計算し、モデル伝搬子には G0W0 を用いる。
• DMFT、EDMFT、GW+EDMFT でモデルを解き、秩序あり／秩序抑制解を比較する。
• 局所スペクトル関数、自己エネルギー、電荷面電預（chargesusceptibilities）を分析して秩序傾向を特定する。
• 自己整合 GW+EDMFT におけるドーピング効果を調べ、化学ポテンシャルを変化させて検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非局所 screening が圧力下の La3Ni2O7 の相関電子構造に与える影響は何か？
• RQ2 低エネルギー物理を支配する軌道はどれで、秩序や超伝導性にどう影響するか？
• RQ3 GW+EDMFT は高圧相における電荷秩序またはストライプ様の不安定性を予測するか？
• RQ4 自己ドーピングポケットを介したホールまたは電子ドーピングが電子相関と秩序傾向にどのように影響するか？

主な発見

• GW+EDMFT は非局所 screening が電荷ストライプ不安定性を駆動し、d_{z^2} 軌道を主なアクティブプレーヤーとする。
• EDMFT がダイナミカル相互作用を伴う場合、長距離反フェルミ磁性秩序を伴うほぼ半充填層を予測し、Ni サイト間の対称性破れと Mott様状態を示唆する。
• DMFT（周波数依存の U）ではより金属性の挙動に還元されるが、beta=50 eV^{-1} では秩序は観察されない。
• GW+EDMFT は xx-yz 平面内の対角ストライプ方向の電荷不安定性を明らかにし、準周期的な変調の可能性を示す。
• 電荷性 Susceptibility は d_{z^2} セクターでストライプ形成傾向を示す一方、 d_{x^2−y^2} は秩序傾向を示さない。
• Hole doping（self-doping pocket） は秩序傾向を抑制し Susceptibility を低下させ、潜在的には超伝導性を有利にする。