[論文レビュー] Induced Magnetic Two-dimensionality by Hole Doping in Superconducting Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$

Siheon Ryee, Hongkee Yoon+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2019

Theoretical and Computational Physics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、LDA+DMFTおよび磁気応答計算を用いて、Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$におけるホールドーピングが二次元的磁気相関を誘発することを示した。そのピークはδ ≈ 0.25で観測された。ドーピングされていない状態はフェルミ液体的であるが、ホールドーピングを増加させると、相関強度はドーム型の傾向を示し、その後面内方向でない磁気相互作用が抑制され、2次元的性質が強化される。

ABSTRACT

To understand the superconductivity recently discovered in Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$, we carried out LDA+DMFT (local density approximation plus dynamical mean-field theory) and magnetic force response calculations. The on-site correlation in Ni-$3d$ orbitals causes notable changes in the electronic structure. The calculated temperature-dependent susceptibility exhibits the Curie-Weiss behavior, indicating the localized character of its moment. From the low-frequency behavior of self-energy, we conclude that the undoped phase of this nickelate is Fermi-liquid-like contrary to cuprates. Interestingly, the estimated correlation strength by means of the inverse of quasiparticle weight is found to increase and then decrease as a function of hole concentration, forming a dome-like shape. Another finding is that magnetic interactions in this material become two-dimensional by hole doping. While the undoped NdNiO$_2$ has the sizable out-of-plane interaction, hole dopings strongly suppress it. This two-dimensionality is maximized at the hole concentration $\delta\approx0.25$. Further analysis as well as the implications of our findings are presented.

研究の動機と目的

• Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$における超伝導の電子的および磁気的起源を理解すること。
• ホールドーピングがニッケレートにおける電子的相関および磁気的相互作用に与える影響を調査すること。
• 銅酸化物と同様に、ドーピングに伴い磁気応答が2次元的へと進化するかどうかを特定すること。
• 特にフェルミ液体的挙動と強い相関効果の両方が顕在する未ドーピング状態の性質を明確にすること。

提案手法

• Ni-3d軌道における強い電子相関を正確に扱うために、LDA+DMFTを採用した。
• 温度依存の磁化率を計算し、局所的スピンモーメントの挙動を調べた。
• 準粒子のコherー二ンスおよびフェルミ液体的性質を評価するために、低周波数自己エネルギーを分析した。
• ホールドーピングに伴う面内および面外方向の磁気相互作用の変化を追跡した。
• ホール濃度関数としての相関強度を、準粒子重みの逆数を用いて定量化した。
• スピンフラクチュエーションの次元性を評価するために、磁気力応答の詳細な分析を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホールドーピングはNdNiO2における磁気的次元性にどのように影響するか？
• RQ2 未ドーピング状態のNdNiO2の性質は、フェルミ液体的か、強い相関的性質を示すか？
• RQ3 Ni-3d電子における相関強度は、ホール濃度に対してドーム型の依存関係を示すか？
• RQ4 面外方向の磁気相互作用は、ホールドーピングを増加させるとどのように変化するか？
• RQ5 δ ≈ 0.25で顕著に強化される2次元的磁気的性質の起源は何か？

主な発見

• 未ドーピング状態のNdNiO2は、低周波数自己エネルギーから示されるフェルミ液体的挙動を示すが、これは銅酸化物に一般的に見られる強い相関とは対照的である。
• 準粒子重みの逆数を用いた相関強度は、ホール濃度の増加に伴い最大値に達するまでの間増加し、その後減少するため、ドーム型の曲線を示す。
• 磁化率はキュリー・ワイス則に従い、系内に局在的磁気モーメントが存在することを確認した。
• 未ドーピング状態では面外方向の磁気相互作用が顕著であるが、ホールドーピングによって強く抑制される。
• ホール濃度がδ ≈ 0.25に達する段階で、磁気相互作用は最大の2次元的性質を示し、面内スピンフラクチュエーションの顕著な強化が確認された。
• ドーピングに伴い面外結合が抑制されることで、磁気応答における2次元的性質が顕著に強化された。