[論文レビュー] Possible $S_\pm$-wave superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$

Qing-Geng Yang, Da Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、La3Ni2O7に対する二層二軌道ハバード模型を圧力下で分析し、スピンゆらぎにより駆動される可能性のあるS±波超伝導を見いだし、FRGと強結合解析によって支持される。

ABSTRACT

Recently, the bulk nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ is reported to show signature of high-temperature superconductivity under high pressure above $14$GPa [H. Sun et al., Nature 621, 493 (2023)]. We analyze the pairing mechanism and pairing symmetry in a bilayer Hubbard model with two orbitals in the $E_g$ multiplet. In the weak to moderate interaction regime, our functional renormalization group (FRG) calculations yield $S_\pm$-wave Cooper pairing triggered by leading spin fluctuations. The gap function changes sign across the Fermi pockets, and in real space the pairing is dominated by intra-unitcell intra-orbital components with antiphase between the onsite ones. In the strong coupling limit, we develop a low-energy effective theory in terms of atomic one- and two-electron states in the $E_g$ multiplet. The variational treatment of the effective theory produces results consistent with the FRG ones, suggesting the robustness of such a pairing function. The driving force for superconductivity in the strong coupling limit can be attributed to the local pair-hopping term and the spin-exchange on vertical bonds. We also discuss a possible scenario for the weak insulating behavior under low pressures in terms of the tendency toward the formation of charge order in the strong coupling limit.

研究の動機と目的

• 実験で報告された高圧下のLa3Ni2O7における超伝導理解を動機づける。
• E_g多重度における二層二軌道ハバード模型でのペアリング対称性と機構の解明。
• 関数的再正規化群(FRG)と強結合有効理論による弱〜中程度結合の解明。
• FRG結果を実空間のペアリングパターンと結びつけ、パラメータを横断した頑健性を調べる。

提案手法

• DFT由来のホッピングパラメータを用いた、二層正方格子上の二層二軌道（d3z2−r2およびdx2−y2）のハミルトニアンによる tight-binding モデルを使用。
• ランニングスケール Lambda に対してSC、SDW、CDWチャネルを追跡する特異モード関数的再正規化群(SM-FRG)を適用。
• SCチャネルの支配的固有モードを抽出してペアリング対称性と実空間ペアリング成分を同定。
• バンド基底へSCギャップを射影してフェルミポケット上の運動量空間ギャップ関数を得る。
• 原子的1電子・2電子状態を用いた強結合低エネルギー有効理論を構築し、分変分（Gutzwiller）解析を実施。
• FRG結果と強結合分変分結果のペアリングに関する一貫性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱〜中程度の結合領域でLa3Ni2O7においてS±波対ペアリングが有利か？
• RQ2 スピンゆらぎの構造はフェルミポケット上の超伝導ギャップの符号変化とどのように関連するか？
• RQ3 SC状態を支配する実空間の層内・層間ペアリング成分は何か？
• RQ4 強結合有効理論はFRGで予測されたペアリング対称性と機構を支持するか？
• RQ5 γポケットと圧力が超伝導を可能にする役割は何か？

主な発見

• FRGはSCチャネルが最初に発散することを示し、S±-wave対称性を持つ超伝導への不安定性を示している。
• ギャップはフェルミポケット間で符号を変え、α-およびγポケットは同じ符号でギャップが開き、βポケットは反対符号。
• 単位胞内・軌道内ペアリングが優勢で、強いオンサイトおよび垂直結合成分と、オンサイト d3z2−r2 と dx2−y2 成分間に反相がある。
• 優勢なスピンゆらぎは、符号が反対のギャップ点を結ぶ運動量で起き、スピンゆらぎ駆動ペアリングを支持している。
• 強結合極限では、局所的な対のホッピングと垂直結合上のスピン交換によってペアリングが駆動される低エネルギー有効ハミルトニアンを示し、FRG結果と一致。
• 変分（Gutzwiller）解析は、実空間成分が支配的な intra-orbital s波 singlet ペアリングを得て、FRGの概ねの像と一致する。