[論文レビュー] Effect of Rare-earth Element Substitution in Superconducting R$_3$Ni$_2$O$_7$ Under Pressure

Zhiming Pan, Lu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、3dₓ²⁻ʸ²軌道に注目した強相関二層t-J∥-J⊥モデルを用いて、圧力下における超伝導性R₃Ni₂O₇における希土類元素（RE）置換の影響を調査する。LaをSmに置換することで、層間スピン交換積分J⊥が増大し、超伝導転移温度Tcが約2倍に達する（Tc ≈ 160 K）ことが判明した。一方で、層間s波対称性は維持され、この系における高Tc超伝導体の実現可能性が示唆される。

ABSTRACT

Recently, high temperature ($T_c\approx 80$K) superconductivity (SC) has been discovered in La$_3$Ni$_2$O$_7$ (LNO) under pressure. Question arises whether the transition temperature $T_c$ could be further enhanced under suitable conditions. A possible route for realizing higher $T_c$ is element substitution. Similar SC could appear in rare-earth (RE) R$_3$Ni$_2$O$_7$ (RNO, R=RE element) material series under pressure. The electronic properties in the RNO materials are dominated by the Ni $3d$ orbitals in the bilayer NiO$_2$ plane. In the strong coupling limit, the SC could be fully characterized by a bilayer single $3d_{x^2-y^2}$-orbital $t$-$J_{\parallel}$-$J_{\perp}$ model. Under RE element substitution from La to RE element, the lattice constant decreases and the electronic hopping increases, leading to stronger superexchanges between the $3d_{x^2-y^2}$ orbitals. Based on the slave-boson mean-field theory, we explore the pairing nature and the evolution of $T_c$ in RNO materials. Consequently, it is found that the element substitution does not alter the pairing nature, i.e. the inter-layer $s$-wave pairing is always favored in RNO. However, the $T_c$ increases from La to Sm and a nearly doubled $T_c$ is achieved for SmNO. This work provides evidence for possible higher $T_c$ R$_3$Ni$_2$O$_7$ materials, which may be realized in further experiments.

研究の動機と目的

• 高圧下におけるR₃Ni₂O₇における希土類元素（RE）置換が超伝導転移温度（Tc）に与える影響を調査すること。
• La₃Ni₂O₇（LNO）で観測された約80 KのTcを超えるTcの向上が、元素置換によって達成可能かどうかを特定すること。
• 最小有効モデルを用いて、強相関領域における対称性とTcの進化を調査すること。
• 弱相関（RPA）予測と強相関の期待との間にある矛盾を解明すること。

提案手法

• R₃Ni₂O₇における超伝導性の最小有効ハミルトニアンとして、二層単一3dₓ²⁻ʸ²軌道t-J∥-J⊥モデルを採用する。
• スレーブボソン平均場理論を用いて、RE置換下における超伝導対称性とTcの進化を分析する。
• 事前のDFT計算から得られたRE依存の格子および電子的パラメータを用い、J∥およびJ⊥をスケーリングする。
• 強いフントの規則が、3d_z²軌道から3dₓ²⁻ʸ²軌道へ層間スピン交換積分J⊥を伝達する役割を強調する。
• La→Sm置換に伴う層間 hopping およびJ⊥の増加に伴う対称性とTcの変化を分析する。
• 弱相関RPA予測との比較を通じて、強相関効果の重要性を強調する。

Figure 1: Schematic diagram for the effective single $3d_{x^{2}-y^{2}}$ orbital bilayer $t$ - $J_{\parallel}$ - $J_{\perp}$ model. Each layer is comprised by a conventional intra-layer $t$ - $J_{\parallel}$ model, while the two layers interact through an inter-layer spin exchange $J_{\perp}$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力下におけるR₃Ni₂O₇において、希土類元素をLaからSmに置換することで、超伝導転移温度Tcは向上するか？
• RQ2 RE置換下におけるR₃Ni₂O₇系における超伝導対称性（例：s波対比d波）の性質は何か？
• RQ3 層間スピン交換積分J⊥は、RE元素置換に伴いどのように変化し、Tcの向上にどのような役割を果たすか？
• RQ4 なぜ強相関の図式はTcの向上を予測するのに対し、弱相関RPAは抑制を予測するのか？
• RQ5 3dₓ²⁻ʸ²軌道モデルのみで、R₃Ni₂O₇における高Tc超伝導の本質的物理を捉えられるのか、それとも3d_z²軌道の自由度が不可欠か？

主な発見

• LaからSmへのRE置換により、 hopping 積分の増大に伴い、有効な層間スピン交換積分J⊥および層内J∥が増大する。
• LaからSmへの系列において、超伝導対称性は常に層間s波対称性を維持し、対称性の変化は観察されない。
• 超伝導転移温度Tcは著しく向上し、La₃Ni₂O₇の約80 KからSm₃Ni₂O₇では約160 Kにほぼ2倍に増大する。
• Tcの向上は主にJ⊥の増大に起因し、これは強いフントの規則と3d_z²軌道の層間 hopping を介した媒介によって実現される。
• 強相関t-J∥-J⊥モデルは、弱相関RPA解析とは逆にTcの向上を予測しており、強相関効果の重要性が浮き彫りになる。
• 3d_z²軌道の自由度は、J⊥の強化を可能にするため、間接的に不可欠な役割を果たす。

Figure 2: Relevant hopping strength and effective spin exchange for different RE elements from La to Sm. From La to Sm, the inter-layer $3d_{z^{2}}$ hopping $t_{zz}^{\perp}$ and intra-layer $3d_{x^{2}-y^{2}}$ hopping $t_{xx}^{\parallel}$ both gradually increase [ 27 ] . The effective inter-layer $3d