[論文レビュー] Inter-layer valence bonds and two-component theory for high-$T_c$ superconductivity of La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ under pressure

Yi‐feng Yang, Guang-Ming Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2023

Iron-based superconductors research被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、高圧下の La3Ni2O7 における高温超伝導性に対して強結合の二成分機構を提案し、Ni-dz^2 電子の層間スピン縮退対性とそれらのほぼ4分の1で充填された dx2−y2 電子との混成化に焦点を当てる。弱結合の dz^2 結合帯からの説明が不十分であると主張し、観測される Tc が約 80 K であるのを説明する最小の有効モデルを導出する。

ABSTRACT

The recent discovery of high-$T_{c}$ superconductivity in bilayer nickelate La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ under high pressure has stimulated great interest concerning its pairing mechanism. We argue that the weak coupling model from the almost fully-filled $d_{z^{2}}$ bonding band cannot give rise to its high $T_{c}$, and thus propose a strong coupling model based on local inter-layer spin singlets of Ni-$d_{z^{2}}$ electrons due to their strong on-site Coulomb repulsion. This leads to a minimal effective model that contains local pairing of $d_{z^{2}}$ electrons and a considerable hybridization with near quarter-filled itinerant $d_{x^{2}-y^{2}}$ electrons on nearest-neighbor sites. Their strong coupling provides a unique two-component scenario to achieve high-$T_{c}$ superconductivity. Our theory highlights the importance of the bilayer structure of superconducting La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ and points out a potential route for the exploration of more high-$T_{c}$ superconductors.

研究の動機と目的

• 高圧下の La3Ni2O7 に対して、dz^2 結合帯の弱結合説明を超える対性機構を動機づける。
• 層間 dz^2 スピン縮退を組み込み、移動性のある dx2−y2 電子を含む強結合・二成分モデルを構築する。
• 最小の有効ハミルトニアンを導出し、混成化が全体的な位相コヒーレンスと高 Tc をどのように促進するかを分析する。

提案手法

• DFT に基づく二層 Ni–O 格子を出発点とし、dz^2 および dx2−y2 軌道と、apical O pz を介した層間 dz^2 協同跳びを考える。（Eq. 1）
• dz^2 結合帯がほぼ全て充填され、dx2−y2 帯がほぼ4分の1充填であることを示し、局所的な dz^2 層間スピン縮退の考えを必要とする。
• 層間 dz^2 スピン縮退（J_perp）と dx2−y2 電子との混成化 V を含む2成分の有効モデル H_eff (Eq. 8) を導入する。
• 層間スピン交換をデカップリングして、局所的な dz^2 対称場 Δ_d ∝ J_perp⟨ψ^d⟩ および dx2−y2 帯における二次誘起対称 Δ_c (Eq. 9–10) を得る。
• 複合的な状況で位相剛性の議論を用いて Tc を推定し、ρ_s を用いたKosterlitz-Thouless型の枠組みを得る。 Tc ∼ t^c(δ_d V^2/J_perp t^c)^{2/3}　適切な条件下で（Eq. 11–12）。
• V および Δ_d の変化に対して Tc が非単調に変化するモンテカルロ研究を示し、圧力下の実験と一致する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下の La3Ni2O7 に対して、強結合・二成分フレームワークが高 Tc を説明できるか。
• RQ2 層間 dz^2 スピン縮退とそれらの dx2−y2 移行性電子への結合は超伝導性を生み出す上でどんな役割を果たすか。
• RQ3 提案されたモデルにおける圧力駆動の混成化 V は Tc と位相コヒーレンスにどのように影響するか。
• RQ4 観測された Tc を説明するには弱結合 dz^2 結合帯の説明が不十分である理由は何か。
• RQ5 高圧下の二層ニッケル酸塩の本質的な物理を捉える最小モデルは何か。

主な発見

• 層間 dz^2 スピン縮退と近傍の 4分の1 充填に近い dx2−y2 帯と強く混成した最小有効モデル (H_eff) は高 Tc の超伝導性を支えうる。
• dz^2 スピン縮退は大きな対称エネルギー尺度 (Δ_d ∼ J_perp) を提供し、混成化を通じて dx2−y2 対称性を持つ対称性を誘発し、拡張 s 波/二成分的性質を示す対を生み出す。
• dx2−y2 帯の位相剛性が実際の Tc を支配し、局所的な dz^2 対の小さな超流動剛性にもかかわらず高 Tc をもたらす。
• 圧力下では V の増加が位相コヒーレンスを高める一方で局所対形成と競合し、Tc の非単調応答を生み出す。モンテカルロ結果と実験と一致。
• 環境圧力下では dz^2 結合帯の全充填（δ_d = 0）のため超伝導は発生せず、有限な δ_d（自己ドープホール）により対形成と超伝導が可能になる。
• 理論は層間対形成機構に二層構造を必須とし、他の高 Tc 超伝導体を同様の二成分スキームで見つけるための道筋を示す。