[論文レビュー] Electron correlations and superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure tuning

Zhiguang Liao, Lei Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 27被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、La3Ni2O7の圧力下の二重層二軌道ハバードモデルを用い、S=1/2 から S=3/2 への転換を見いだし、軌道選択的Mott相を特定し、多軌道 t-J モデルを導出して、軌道選択性のある超伝導ペアリングを予測する際の対称性転換を導く。

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, we discuss the basic ingredients of a model that captures its microscopic physics under pressure tuning. We anchor our description in terms of the spectroscopic evidence of strong correlations in this system. In a bilayer Hubbard model including the Ni $3d$ $x^2-y^2$ and $z^2$ orbitals, we show the ground state of the model crosses over from a low-spin $S=1/2$ state to a high-spin $S=3/2$ state. In the high-spin state, the two $x^2-y^2$ and the bonding $z^2$ orbitals are all close to half-filling, which promotes a strong orbital selectivity in a broad crossover regime of the phase diagram pertinent to the system. Based on these results, we construct an effective multiorbital $t$-$J$ model to describe the superconductivity of the system, and find the leading pairing channel to be an intraorbital spin singlet with a competition between the extended $s$-wave and $d_{x^2-y^2}$ symmetries. Our results highlight the role of strong multiorbital correlation effects in driving the superconductivity of La$_3$Ni$_2$O$_7$.

研究の動機と目的

• 強い電子相関と複数のNi e_g 軌道の観点から、高圧下の La3Ni2O7 の超伝導性の理解を促進する。
• 材料における強い相関の分光学的証拠に説明を結びつける。
• Ni 3d x^2−y^2 および z^2 軌道と層間結合を反映した、二重層二軌道ハバードフレームワークで系をモデル化する。
• 超伝導性に関連する基底状態のスピンの進化と軌道選択的相関効果を特定する。

提案手法

• Ni x^2−y^2 および z^2 軌道を用いた二重層二軌道ハバードモデルを構築し、DFT由来のバンドに tight-binding パラメータを適合させる。
• 結合・反結合分子軌道基底へ変換して層間Ni z^2 の結合を解析し、相互作用ハミルトニアン H_int を MO 基底で書き直す。
• U(1)スレーブスピン理論を用いて軌道分解された準粒子重み Z_alpha と電子密度を計算し、相図を描く。
• 低スピンから高スピンへのクロスオーバーと、OSMPへと繋がる強い軌道選択性の領域を見いだす。
• 高スピン/クロッシング領域で有効な多軌道 t-J モデルを導出し、Bogoliubov平均場分解によって超伝導対のチャネルを調べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力調整された相互作用の下で、La3Ni2O7 の基底状態スピン配置と軌道占有はどうなるか。
• RQ2 軌道選択的相関は材料の電子構造と潜在的な超伝導ペアリングにどのような影響を与えるか。
• RQ3 軌道選択的モット物理の存在下での超伝導対称性とその軌道特性はどうなるか。

主な発見

• 電子相関が二重層二軌道ハバードモデルにおける低スピン S=1/2 状態から高スピン S=3/2 状態への転換を駆動する。
• 転換領域では軌道選択性が著しく現れ、Z_x2−y2 ≪ Z_z2 で結合軌道が半充填付近となる。
• さらに相互作用を大きくすると、x^2−y^2 が局在化しつつ z^2 結合は移動性を保つ軌道選択的モット相(OSMP) が現れ、駆動電導のドラムウェイト低下と二成分の導電性を説明する。
• 有効な多軌道 t-J モデルは、 interorbital 交換 J^xx が増加するにつれて、拡張 s 波 (A1g) から d 波 (B1g) へと進化する主要な超伝導ペアリングを予測し、対称性とペアリング振幅に強い軌道選択性を示す。
• 圧力下の La3Ni2O7 における多軌道相関と OSMP の近接が超伝導性を駆動する役割を強調する。