[論文レビュー] Impurity and vortex States in the bilayer high-temperature superconductor $\mathrm{La}_3\mathrm{Ni}_2\mathrm{O}_7$

Junkang Huang, Z. D. Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2023

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、二層ネルギン酸化物超伝導体La₃Ni₂O₇における対称性のペアリングを、二軌道（d_{x²−y²}およびd_{z²}）タイトバインディングモデルと自己無撞撃ボゴリューブ＝デギエンズ（BdG）方程式を用いて調査する。広がりのあるs波ペアリングが最も安定した対称性であると特定され、不純物における明確な準位状態と、ストロベリー核におけるピーク・ハム構造が得られ、実験的検証に向けた識別可能なシグナルを提供する。

ABSTRACT

We perform a theoretical examination of the local electronic structure in the recently discovered bilayer high-temperature superconductor ${\mathrm{La}_3\mathrm{Ni}_2\mathrm{O}_7}$. Our method begins with a bilayer two-orbital tight-binding model, incorporating various pairing interaction channels. We determine superconducting order parameters by self-consistently solving the real-space Bogoliubov-de Gennes (BdG) equations, revealing a robust and stable extended s-wave pairing symmetry. We investigate the single impurity effect using both self-consistent BdG equations and non-self-consistent T-matrix methods, uncovering low-energy in-gap states that can be explained with the T-matrix approach. Additionally, we analyze magnetic vortex states using a self-consistent BdG technique, which shows a peak-hump structure in the local density of states at the vortex center. Our results provide identifiable features that can be used to determine the pairing symmetry of the superconducting ${\mathrm{La}_3\mathrm{Ni}_2\mathrm{O}_7}$ material.

研究の動機と目的

• 最近発見された二層高Tc超伝導体La₃Ni₂O₇における支配的ペアリング対称性を特定すること。
• 局所的電子構造、特に不純物およびストロベリー核状態が、ペアリング対称性の特定に実験的プローブとしてどのように機能するかを調査すること。
• 自己無撞撃BdG法と非自己無撞撃T行列法による不純物誘発束縁状態の予測を比較すること。
• ストロベリー核における局所密度状態（LDOS）を解析し、異なるペアリング対称性と関連する特徴的なスペクトル構造を同定すること。
• d_{z²}軌道が超伝導状態の安定化およびギャップの異方性に果たす役割を評価すること。

提案手法

• ニッケルの3d_{x²−y²}および3d_{z²}軌道を用いて、正常状態のバンド構造を記述する二層二軌道タイトバインディングモデルを構築する。
• s波、d波、s±波ペアリング対称性を探索するために、モデルにさまざまなペアリング相互作用チャネルを組み込む。
• 実空間におけるボゴリューブ＝デギエンズ（BdG）方程式を自己無撞撃的に解き、超伝導ギャップ関数および局所的電子構造を決定する。
• 非自己無撞撃的T行列法を用いて単一不純物効果を解析し、BdG結果と比較する。
• 不純物サイトおよびストロベリー核における局所密度状態（LDOS）スペクトルを計算し、異なるペアリング対称性に由来するスペクトル特徴を抽出する。
• LDOSの特徴（ゼロエネルギーピーク、準位状態、ピーク・ハム構造など）を、さまざまなペアリング対称性の下で比較分析する。

Figure 1: The site-dependent gap amplitudes [ $\Delta^{l,l^{\prime}}_{\tau}(i)$ ] with a point impurity at the site (20, 20) of layer 1. The upper and lower panels depict the pairing amplitudes within the $d_{x^{2}-y^{2}}$ channel and $d_{z^{2}}$ channel, respectively. The panels on the left represe

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己無撞撃BdG計算に基づくLa₃Ni₂O₇における最も安定したペアリング対称性は何か？
• RQ2 広がりのあるs波、d_{x²−y²}波、および局所s±波ペアリング対称性の下で、不純物誘発束縁状態はどのように異なるか？
• RQ3 異なるペアリング対称性の下で、La₃Ni₂O₇における磁気ストロベリー核の中心にどのようなスペクトル特徴が現れるか？
• RQ4 自己無撞撃BdG法と非自己無撞撃T行列法による不純物状態の予測結果は、どのように比較されるか？
• RQ5 d_{z²}軌道が超伝導ギャップを支配し、ペアリング対称性の安定性に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 自己無撞撃BdG計算により、広がりのあるs波ペアリングがLa₃Ni₂O₇において最も強固で安定した対称性であると特定された。
• d_{z²}軌道における超伝導ギャップは、d_{x²−y²}軌道よりも顕著に大きく、ペアリングにおいてその支配的役割を示している。
• 単一不純物は、広がりのあるs波状態では明確なゼロエネルギー共鳴状態を誘発するが、これはd波に類似した振る舞いを示すが、s±波とは明確に異なる。
• s±波ペアリング対称性の下では、不純物はゼロエネルギーピークを示さない低エネルギー準位状態を誘発し、ギャップ端縁付近でのLDOS強度が低下する。
• ストロベリー核では、LDOSにピーク・ハム構造が現れる：負エネルギーに顕著なピークと、ゼロエネルギー付近で強化されたハムが特徴的で、広がりのあるs波対称性に由来する。
• 非自己無撞撃的T行列法は、不純物誘発準位状態を定性的に再現でき、BdG結果の妥当性を裏付け、スペクトル予測における自己無撞撃性の重要性を強調している。

Figure 2: The LDOS as a function of the energy $\omega$ near the impurity site with the impurity strength $V_{i}=10$ (the solid lines) and $V_{i}=0$ (the dashed lines). (a) The LDOS at the upper site of the impurity site [site $(20,20)$ of layer 2]. (b) The LDOS at the right site of the impurity sit