[論文レビュー] Correlation Effects and Concomitant Two-Orbital $s_\pm$-Wave Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under High Pressure

Yi-Heng Tian, Yin Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 39被引用数 9

ひとこと要約

二層二軌道ハバード模型を用い、（セルラ）DMFTで解くと、La3Ni2O7の高圧下でNi e_g 軌道の両方がSCを形成し、s±-wave超伝導が同時に生じることが見つかる。両軌道は相互軌道スピン結合の影響を受けつつ、同時にモット転移を伴う。

ABSTRACT

Possible high-$T_c$ superconductivity (SC) has been found experimentally in the bilayer material La$_3$Ni$_2$O$_7$ under high pressure recently, in which the Ni-$3d_{3z^2-r^2}$ and $3d_{x^2-y^2}$ orbitals are expected to play a key role in the electronic structure and the SC. Here we study the two-orbital electron correlations and the nature of the SC using the bilayer two-orbital Hubbard model downfolded from the band structure of La3Ni2O7 in the framework of the dynamical mean-field theory. We find that each of the two orbitals forms $s_\pm$-wave SC pairing. Because of the nonlocal inter-orbital hoppings, the two-orbital SCs are concomitant and they transition to Mott insulating states simultaneously when tuning the system to half filling. The Hund's coupling induced local inter-orbital spin coupling enhances the electron correlations pronouncedly and is crucial to the SC.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7の高圧下における高温超伝導の理解を動機づける。
• 超伝導性における2つのNi e_g軌道（3d3z^2−r^2および3d x^2−y^2）の役割を調査する。
• 結合間軌道結合とHundの物理が対対の結合とモット転移にどのような影響を与えるかを検討する。

提案手法

• La3Ni2O7の高圧下でDFTからダウンフォールドした二層二軌道ハバード模型を用いる。
• 単位胞内の2サイトの不純物問題を用いたゼロ温度の（セルラー）DMFTで解く。
• 不純物解法として厳密対角化（ED）と自然軌道再正規化グループ（NORG）を使用。
• 結合/反結合SC秩序パラメータΔ_{α±}および局所/層間対相関Δ_{0α}, Δ_{1α}を計算。
• 鏡対称性を利用して結合/反結合状態へ変換し問題を簡略化。
• 非局所相互軌道跳躍を介したx軌道とz軌道の直交性とエンタングルメントを解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下でNi e_g軌道の2つが超伝導対を形成するか、もし形成するならその対称性は何か。
• RQ2 2つの軌道はSCとモット転移を同時に起こす結合を持つのか、それとも軌道特異的か。
• RQ3 inter-orbital spin coupling（LIOSC）と非局所相互軌道跳躍がSCを安定化させる役割は何か。
• RQ4 inter-orbital hoppingを抑制すると軌道選択的モット/SC相はどうなるか。

主な発見

• Ni e_g軌道の両方がドープされハーフフィリングからずれたときs±-波超伝導を実現する。
• 両軌道はμ=0で同時にモット転移を経験し、SCは同時に消失する。
• 非局所的な相互軌道跳躍は軌道を絡み合わせ、全体モデルではOSS N/Aの状態となる。
• 局所的な相互軌道スピン結合（LIOSC）は電子相関を高め、z軌道からの反フェルミ結合相関を分け持つx軌道SCにとって重要である。
• LIOSCを抑制すると強いSCが崩れ、その結合の重要性が示される。
• 非局所的な相互軌道跳躍 t^{xz}_{3,4}を抑制すると軌道選択的モット/SC相が現れ、同時的な挙動にとってそれらが重要であることを示す。