[論文レビュー] Kondo resonance and $d$-wave superconductivity in the $t-J$ model with spin one holes: possible applications to the nickelate superconductor Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$

Ya-Hui Zhang, Ashvin Vishwanath|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$における高温超伝導のメカニズムを説明するため、スピン1の空孔を導入したタイプII $t-J$ モデルを提案する。$d$-波超伝導の2つの異なるメカニズムを提示する：スピン1空孔の凝縮に伴うスピン対称性の破れ、およびKondo共鳴に起因する秩序立った $d$-波超伝導。3フェルミオンパートン理論により両者の状況を統一的に記述し、ドーピング相図において銅酸化物と重フェルミオン系の性質が融合した構造が明らかになった。

ABSTRACT

The recent observation of superconductivity at relatively high temperatures in hole doped NdNiO$_2$ has generated considerable interest, particularly due to its similarity with the infinite layer cuprates. Building on the observation that the Ni$^{2+}$ ions resulting from hole doping are commonly found in the spin-triplet state, we introduce and study a variant of the $t-J$ model in which the holes carry S=1. We name this new model the Type II $t-J$ model. We find two distinct mechanisms for $d$ wave superconductivity. In both scenarios the pairing is driven by the spin coupling $J$. However, coherence is gained in distinct ways in these two scenarios. In the first case, the spin-one holes condense leading to a $d$ wave superconductor along with spin-symmetry breaking. Different orders including spin-nematic orders are possible. This scenario is captured by a spin one slave boson theory. In the second scenario, a coherent and symmetric $d$ wave superconductor is achieved from Kondo resonance: spin one holes contribute two electrons to form large Fermi surface together with the spin 1/2 singly occupied sites. The large Fermi surface then undergoes $d$ wave pairing because of spin coupling $J$, similar to fermion superconductor. We propose a three-fermion parton theory to treat these two different scenarios in one unified framework and calculate its doping phase diagram within a self consistent mean field approximation. Our study shows that a combination of cuprate physics and heavy fermion physics may emerge in the type II $t-J$ model.

研究の動機と目的

• 穴をスピン1励起としてモデル化することで、Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$ に見られる高温 $d$-波超伝導の発現を説明すること。
• ドーピングニッケレートにおけるNi$^{2+}$イオンの観察されたスピン三重項性を説明するため、従来の $t-J$ モデルをスピン1空孔を含む形に拡張すること。
• スピン凝縮とKondo共鳴の2つの異なる $d$-波ペアリングメカニズムを、同一の理論的枠組み内で統合すること。
• 自己無作為平均場近似を用いてタイプII $t-J$ モデルのドーピング相図を導出すること。

提案手法

• 空孔がスピン1を有するタイプII $t-J$ モデルを導入し、従来の $t-J$ モデルにおけるスピン1/2空孔の図式を置き換える。
• スピン1スレーブボソン理論を用いて、スピン1空孔の凝縮が $d$-波超伝導とスピン対称性の破れを引き起こす第一のメカニズムを記述する。
• 3フェルミオンパートン理論を構築し、スピン1空孔の凝縮とKondo共鳴の両メカニズムを統一的な枠組みで記述する。
• 自己無作為平均場近似を用いて、タイプII $t-J$ モデルのドーピング相図を計算する。
• スピン1空孔が2電子を寄与することを許容することでKondo共鳴メカニズムをモデル化し、大きなフェルミ面を形成させ、スピン結合 $J$ を介した $d$-波ペアリングを可能にする。
• 統一理論におけるスピンネマチック秩序、超伝導ペアリング、フェルミ面再構築の相乗的相互作用を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン1空孔の記述が、Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$ で観測された $d$-波超伝導を説明できるか？
• RQ2 タイプII $t-J$ モデルにおける $d$-波ペアリングの2つの異なるメカニズムは何か？それらはコherencyおよび対称性の性質においてどのように異なるか？
• RQ3 スピン1空孔が2電子を寄与するKondo共鳴メカニズムが、どのように大きなフェルミ面を形成し、$d$-波ペアリングを可能にするか？
• RQ4 3フェルミオンパートン理論が、タイプII $t-J$ モデルにおいてスピン凝縮とKondo共鳴をどれほど効果的に統合できるか？
• RQ5 タイプII $t-J$ モデルのドーピング相図はどのようなものか？また、それが銅酸化物と重フェルミオン系の性質のハイブリッドをどのように反映しているか？

主な発見

• スピン1空孔を有するタイプII $t-J$ モデルは、Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$ などのニッケレートにおける $d$-波超伝導を理解するための一貫性のある枠組みを提供する。
• 2つの異なる $d$-波ペアリングメカニズムが同定された：スピン1空孔の凝縮によるスピン対称性の破れとスピンネマチック秩序の発現、およびKondo共鳴による秩序立った大きなフェルミ面の形成。
• Kondo共鳴メカニズムは、スピン1空孔が2電子を寄与することで生じ、スピン1/2の単一占有状態と混合して大きなフェルミ面を形成する。
• この大きなフェルミ面は、スピン結合 $J$ に起因する $d$-波ペアリングを経験する。これは従来のフェルミオン的超伝導体と類似している。
• 3フェルミオンパートン理論は、両ペアリングメカニズムを同一の理論的枠組み内で成功裏に統合した。
• 自己無作為平均場近似によるドーピング相図の計算から、超伝導、スピンネマチック秩序、フェルミ面再構築の複雑な相互作用が明らかとなり、銅酸化物と重フェルミオン系の性質のハイブリッドが示唆された。