[論文レビュー] Doped holes in NdNiO$_2$ and high-$T_c$ cuprates show little similarity

Mi Jiang, Mona Berciu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、Ni²⁺がS=1を有するが、約15 Kで超伝導を示すNdNiO₂を調査し、超伝導が発現することを明らかにした。強力なpd混成により、銅酸化物に類似したスイングル状態が形成されるが、スピン交換相互作用は約10倍弱く、仮想磁気励起子による対形成は排除され、ニッケレートに特有で未知の対形成メカニズムが存在することが示唆される。

ABSTRACT

Superconductivity with $T_c \approx 15K$ was recently found in doped NdNiO$_2$. The Ni$^{1+}$O$_2$ layers are expected to be Mott insulators so hole doping should produce Ni$^{2+}$ with $S=1$, incompatible with robust superconductivity. We show that the NiO$_2$ layers fall inside a ``critical'' region where the large $pd$ hybridization favors a singlet $^1\!A_1$ hole-doped state like in CuO$_2$. However, we find that the superexchange is about one order smaller than in cuprates, thus a magnon ``glue'' is very unlikely and another mechanism needs to be found.

研究の動機と目的

• NdNiO₂における超伝導の起源を解明する。これは、Ni²⁺がS=1を有するがTc ≈ 15 Kで超伝導を示すという事実に基づく。
• NdNiO₂の電子構造が、特に穴ドーピング状態において、高Tc銅酸化物と類似しているかどうかを評価する。
• 超交換相互作用がNdNiO₂において果たす役割と、それが対形成の媒介メカニズムとして機能する可能性を評価する。
• ニッケレートに観察された超伝導が、銅酸化物と類似したメカニズムによって説明可能かどうかを特定する。

提案手法

• NiO₂層における強い電子相関および混成効果を考慮して、NdNiO₂の電子構造を分析する。
• 穴ドーピング状態をモデル化し、pd混成がスイングル状態（¹A₁）を安定化させる役割に注目する。
• 理論的推定を用いて、NdNiO₂における超交換相互作用の強さを高Tc銅酸化物と比較する。
• 超交換エネルギー尺度を定量化することで、磁気励起子による対形成の妥当性を評価する。
• 対称性および多体理論を用いて、S=1のNi²⁺が強力な超伝導を可能にするメカニズムの整合性を評価する。
• ニッケレートにおけるpd混成の臨界領域と銅酸化物の挙動を対比し、主要な相違点を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NdNiO₂における穴ドーピングは、銅酸化物のCuO₂層におけるものと類似したスイングル状態を生成するか？
• RQ2 NdNiO₂における超交換相互作用の強さは、高Tc銅酸化物と比べてどの程度か？
• RQ3 磁気励起子による対形成は、NdNiO₂で観察された超伝導を説明できるか？
• RQ4 S=1のNi²⁺イオンが存在するにもかかわらず、なぜNdNiO₂は超伝導を示すのか？
• RQ5 磁気励起子による結合が成立しない場合、ニッケレートにおける超伝導を引き起こすメカニズムは何か？

主な発見

• NdNiO₂における穴ドーピング状態は、強力なpd混成のため、高Tc銅酸化物と類似したスイングル状態（¹A₁）である。
• NdNiO₂における超交換相互作用は、銅酸化物と比較して約10倍弱い。
• 弱い超交換相互作用は、磁気励起子による対形成が極めて不適切であることを示し、銅酸化物の対形成メカニズムへの直接的な類似性は排除される。
• S=1のNi²⁺であっても、強力な混成のおかげでスイングル状態が安定化され、超伝導が可能になる。
• 観察されたNdNiO₂の超伝導は、従来の超交換相互作用による結合メカニズムでは説明できないため、未知の新しい対形成メカニズムが存在することが示唆される。
• NdNiO₂の電子構造は、混成が磁気相関よりも優勢となる臨界領域に位置し、銅酸化物とは異なる物理的性質を示す。