[論文レビュー] Preempted phonon-mediated superconductivity in the infinite-layer nickelates

Quintin N. Meier, Jean-Baptiste de Vaulx+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2023

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ab initio GW理論およびEliashberg理論を用いて無限層ニッケレートにおける電子-格子励振子結合を調査した。多くの体効果により母体化合物における超伝導性が強化されるが、ドーピング系における高いTcを説明するには依然として弱すぎる。結果は、ドーピングされたニッケレートでは、非自明な電子-格子励振子結合が存在するにもかかわらず、phonon媒介超伝導性が非自明なメカニズムに取って代わられることを示している。

ABSTRACT

Nickelate superconductors are outstanding materials with intriguing analogies with the cuprates. These analogies suggest that their superconducting mechanism may be unconventional, although this fundamental question is currently under debate. Here, we scrutinize the role played by electronic correlations in enhancing the electron-phonon coupling in the infinite-layer nickelates and the extent to which this may promote superconductivity. Specifically, we use $ab$ $initio$ many-body perturbation theory to perform state-of-the-art $GW$ and Eliashberg-theory calculations. We find that the electron-phonon coupling is effectively enhanced compared to density-functional-theory calculations. This enhancement may lead to low-$T_c$ superconductivity in the parent compounds already. However, it remains marginal in the sense that it cannot explain the record $T_c$s obtained with doping. This circumstance implies that conventional superconductivity is preempted by another pairing mechanism in the infinite-layer nickelates.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケレートにおける電子-格子励振子結合が、特に穴ドーピング系において超伝導性を説明できるかどうかを調査すること。
• 電子相関が標準的DFT近似を超えて電子-格子励振子結合をどのように強化するかを評価すること。
• phonon媒介超伝導性が、Nd0.8Sr0.2NiO2および関連化合物で実験的に観測されたTc値を説明できるかどうかを特定すること。
• 圧力下における自己ドーピング、状態密度、および電子-格子励振子結合の相乗的相互作用を検討すること。
• 数値的に正確なGW計算とプラズモンポールモデルを比較し、それらが超伝導不安定性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 動的スクリーニングを正確に扱うために、連続変形（CD）技術を用いたGW計算を実施し、プラズモンポール近似を回避した。
• 12×12×14のkメッシュおよび100 Ryの波動関数カットオフを用いて準粒子エネルギーと自己エネルギー補正を計算し、1400バンドまで収束を確認した。
• 17個のWannier関数（O-2p、Ni-3d、R-5d）と1つのイナート状態s軌道を用いてWannier補間を行い、電子構造をマッピングした。
• 密度汎関数力学的摂動論を用いて格子振動分散および電子-格子励振子行列要素を計算し、6×6×6のqグリッドと125 Ryのカットオフを用いた。
• EPWパッケージを用いて細かいグリッド（電子用に36×36×36、格子振動用に18×18×18）の補間を行い、Eliashbergスペクトル関数を計算した。
• Fermi面平均化行列要素とδ関数制約を用いて、電子-格子励振子結合定数λおよびTcをEliashberg方程式により評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的DFTを超えて、多くの体効果が無限層ニッケレートにおける電子-格子励振子結合をどの程度強化するか。
• RQ2 phonon媒介超伝導性が、穴ドーピングされたNd0.8Sr0.2NiO2で実験的に観測されたTc値を説明できるか。
• RQ3 圧力が、自己ドーピング、状態密度、および電子-格子励振子結合の競合にどのように影響するか。
• RQ4 なぜプラズモンポールモデル（Godby-NeedsおよびHybertsen-Louie）は、数値的に正確な連続変形法に比べて自己ドーピング効果を過大評価するのか。
• RQ5 電子-格子励振子結合は母体化合物における超伝導性を説明するのに十分な強さであるか。もし十分であれば、ドーピング系においても十分な強さか。

主な発見

• GW計算による多くの体効果により、標準的DFTに比べて電子-格子励振子結合が強化され、母体化合物RNiO2における弱いが無視できない超伝導不安定性が生じた。
• Nd0.8Sr0.2NiO2における計算されたTcは、実験的に報告された約20 Kに比べて顕著に低く、phonon媒介対称性が観測された高いTcを説明するには不十分であることを示している。
• 密度状態がFermiレベルで減少するため、電子-格子励振子結合の増加にかかわらず、圧力下でのTc上昇を説明するには電子-格子励振子結合が弱すぎる。
• プラズモンポールモデル（Godby-NeedsおよびHybertsen-Louie）は、数値的に正確な連続変形法に比べて自己ドーピング効果を過大評価している。
• 強化された結合にもかかわらず、ドーピングされた無限層ニッケレートではphonon媒介超伝導性が非自明なメカニズムに取って代わられている。
• Eliashbergスペクトル関数は、結合強度の広い分布を示しており、ピーク寄りの寄与は10–20 meV付近に集中しているが、高Tc超伝導性を生じさせるには不十分である。