[論文レビュー] Possible high $T_c$ Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under High Pressure through Manifestation of a Nearly-Half-Filled Bilayer Hubbard Model

Hirofumi Sakakibara, Naoya Kitamine+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2023

Iron-based superconductors research参考文献 79被引用数 24

ひとこと要約

著者らは高圧下で La$_3$Ni$_2$O$_7$ の四軌道モデルを構築し、bilayer $d_{3z^2-r^2}$-軌道ハバード系からの結合があっても高い $T_c$ を伴う $s\pm$-wave 超伝導が生じ得ることを示す。

ABSTRACT

Inspired by a recent experiment showing that La$_3$Ni$_2$O$_7$ exhibits high $T_c$ superconductivity under high pressure, we theoretically revisit the possibility of superconductivity in this material. We find that superconductivity can take place which is essentially similar to that of the bilayer Hubbard model consisting of the Ni $3d_{3z^2-r^2}$ orbitals. Although the coupling with the $3d_{x^2-y^2}$ orbitals degrades superconductivity, $T_c$ can still be high enough to understand the experiment thanks to the very high $T_c$ reached in the bilayer Hubbard model.

研究の動機と目的

• 実材料中の bilayer ハバード物理によるより高い Tc 超伝導の探索を動機づける。
• 高圧下の La$_3$Ni$_2$O$_7$ の現実的な四軌道モデルを、関連する軌道結合を含めて構築する。
• スピン揺動媒介ペアリング（FLEX）を用いて超伝導傾向を評価し、Tc に関連する量を決定する。
• interorbital coupling と帶構造の具体がペアリングと Tc に与える影響を探る。
• この系での超伝導性をさらに高める材料設計の道筋を提案する。

提案手法

• 高圧下の電子構造を得るために QUANTUM ESPRESSO で第一原理バンド計算を行う。
• 単位胞あたりの Ni サイト二つに対して d_{x^2−y^2} および d_{3z^2−r^2} を含む四軌道低エネルギーモデルを導出する最大限局在 Wannier 関数を構築する。
• U=3 eV, J=0.3 eV, U′=2.4 eV でオンサイト相互作用を用いた fluctuation-exchange (FLEX) 打ち下ろしでモデルを解く。
• Tc の代理として固有値 λ を得るために線形化 Eliashberg 方程式を計算する（λ → 1 が Tc を意味する）。
• 軌道間結合と混成の役割を、これらの結合をオフにする/変化させるバリアントを比較して解析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下の La$_3$Ni$_2$O$_7$ は d_{3z^2−r^2} 軌道によって駆動される bilayer ハバード様超伝導状態を実現し得るか。
• RQ2 軌道間相互作用と d_{3z^2−r^2}–d_{x^2−y^2} の混成は超伝導ペアリングと Tc にどのような影響を与えるか。
• RQ3 ΔE や t_perp などのパラメータの変更はこの材料の Tc をいかに高め得るか。
• RQ4 この系の超伝導ギャップは s± 型か、双層モデルの結合・結合反結合帯とどう関連するのか。
• RQ5 cRPA による相互作用値は予測される高 Tc 帯を支持するか。

主な発見

• 高圧下での四軌道モデル（d_{x^2−y^2} および d_{3z^2−r^2} を二つの Ni サイトで扱う）は、n≥1.5 のとき大きな λ を持つスピン揺動媒介ペアリングを安定化し、ク−プラート様領域で Tc を示唆する。
• 超伝導ギャップは d_{3z^2−r^2} 力量が顕著な領域で大きく、d_{3z^2−r^2} バンドの結合/反結合ポケットは反対符号のギャップを持ち、s±-様状態を示唆する。
• 軌道間相互作用と混成は Tc を低下させるが、bilayer の d_{3z^2−r^2} セクターだけでも高い λ をクーピラートと同等程度まで支持し、圧力下での Tc≈80 K と整合する。
• cRPA に基づく相互作用パラメータは元のモデルとほぼ同等の λ をもたらし、結果の頑健性を補強する。
• Tc を高める方法として、電子ドーピングや ΔE または |t_perp| を大きくすることが挙げられ、これにより d_{3z^2−r^2} 軌道への自己ドーピングが促進され、スピン揺動がより有利なエネルギーへ移る。