[論文レビュー] High Temperature Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$

Kun Jiang, Ziqiang Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2023

Advanced Chemical Physics Studies参考文献 48被引用数 10

ひとこと要約

圧力下の La3Ni2O7 は、反対称ベータ帯のほぼ半満状態と d 波対称性を持つ強く相関した状態に基づく高温超伝導を示し、対称バンドとの結合によりスピン軌道交換で結合が強化され、整合的な d 波状態とギャップの拡大、 Tc のさらなる向上の可能性を示す。

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of high-temperature superconductivity in bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, we study its electronic properties and superconductivity due to strong electron correlation. Using the inversion symmetry, we decouple the low-energy electronic structure into block-diagonal symmetric and antisymmetric sectors. We find that the antisymmetric sector can be reduced to a one-band system near half filling, while the symmetric bands occupied by about two electrons are heavily overdoped individually. Using the strong coupling mean field theory, we obtain strong superconducting pairing with $B_{1g}$ symmetry in the antisymmetric sector. We propose that due to the spin-orbital exchange coupling between the two sectors, $B_{1g}$ pairing is induced in the symmetric bands, which in-turn boosts the pairing gap in the antisymmetric band and enhances the high-temperature superconductivity with a congruent $d$-wave symmetry in pressurized La$_3$Ni$_2$O$_7$.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7 における圧力下での高Tc超伝導性の探索を動機づけ、二層構造の役割を理解する。
• 低エネルギー電子構造を対称系と反対称系に分離し、超伝導性の担い手となるセクターを特定する。
• 強結合平均場理論を適用して反対称セクターでの超伝導秩序を得、セクター間の結合効果を検討する。
• 層間スピン軌道交換が対称系と反対称系をどのように結合して対を高めるか提案する。

提案手法

• DFT に基づくパラメータを用いて、La3Ni2O7 の二層二軌道の tight-binding モデルを導出する。
• 反転対称性を用いてハミルトニアンを対称 (S) および反対称 (A) セクターにブロック対角化する。
• 反対称ベータ帯を半満近傍の1つのバンド t-J 模型へ写像し、スレーブボゾン平均場理論で解く。
• B1g 対称性の超伝導秩序パラメータを計算し、x≈0.1 でのトンネルDOSを抽出する。
• S と A セクター間のスピン軌道交換結合 H_SAS を導入し、結合した平均場問題を解く。
• 有限 U のグツィラー近似で頑健性を評価し、フェルミ面の進化を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反対称ベータ帯がほぼ半満状態にあることは、加圧下の La3Ni2O7 における超伝導性の主要な推進力となるか？
• RQ2 対称セクターと反対称セクター間のスピン軌道交換は、対称バンドにおける d 波対称性の対を誘発・強化し得るか？

主な発見

• 反対称ベータ帯は半満近くにあり、1バンド t-J 框組で B1g 対称性を持つ強い d 波対称性の対を生み出す。
• 平均場のベータ帯対は x≈0.1 のとき χ≈0.38、Δ≈0.19、トンネルDOSギャップは 21.3 meV。
• セクター間スピン軌道交換 H_SAS、J_SA≈0.05 eV は対称バンド (α および γ) に整合的な B1g 対称性の対を誘発する。
• 対称バンドとの結合はベータ帯のギャップを高め、S バンドから 24.0 meV および 18.7 meV の追加ギャップを生み、DOS にはベータ帯から顕著な ~37.9 meV のギャップが現れる。
• 得られた超伝導状態はセクターを横断して整合的な d-wave (B1g) であり、圧力下の二層 La3Ni2O7 は単層 cuprates より高い Tc を示唆する。