[論文レビュー] Robust $d_{x^2-y^2}$-wave superconductivity of infinite-layer nickelates

Xianxin Wu, Domenico Di Sante+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 23

ひとこと要約

本研究は、第一原理計算、タイトビンディングモデル、およびリノルマライズドペチュルベーション理論（RPA）を用いて、弱い結合と強い結合の両 regime における無限層ニッケレートの超伝導性を調査した。単一軌道および三軌道モデルの両方において、$d_{x^2-y^2}$-波型対称性の超伝導が強く安定していることが判明した。RPAとt-Jモデルの平均場解析により確認されたこの結果は、Nd 4d 軌道との混合や電子パケットが存在する中でも、この対称性が安定していることを示しており、カルピートルスに類似した根本的なメカニズムがニッケレートに内在している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Motivated by the recent observation of superconductivity in strontium doped NdNiO$_2$, we study the superconducting instabilities in this system from various vantage points. Starting with first-principles calculations, we construct two distinct tight-binding models, a simpler single-orbital as well as a three-orbital model, both of which capture the key low energy degrees of freedom to varying degree of accuracy. We study superconductivity in both models using the random phase approximation (RPA). We then analyze the problem at stronger coupling, and study the dominant pairing instability in the associated t-J model limit. In all instances, the dominant pairing tendency is in the $d_{x^2-y^2}$ channel, analogous to the cuprate superconductors.

研究の動機と目的

• SrドーピングされたNdNiO2、すなわち新しく発見されたニッケレート超伝導体における超伝導対称性を特定すること。
• 銅酸化物超伝導体で観測された$d_{x^2-y^2}$-波型対称性が、電子構造の違いがあるにもかかわらずニッケレートでも安定しているかどうかを評価すること。
• Nd 4d 軌道との混合および電子パケットが、超伝導対称性の安定性に与える影響を評価すること。
• 同じ系において弱い結合（RPA）と強い結合（t-Jモデル）のアプローチを比較すること。
• $d_{x^2-y^2}$ 対称性が銅酸化物様の磁性とは無関係にニッケレート超伝導体の普遍的特徴であるかどうかを確立すること。

提案手法

• NdNiO2の電子構造を取得するため、PBE-GGA汎関数および平面波基底関数（600 eV カットオフ）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 最小限の単一軌道モデル（Ni $d_{x^2-y^2}$）と、Nd $d_{z^2}$ および $d_{xy}$ 軌道を含む三軌道モデルの構築。
• 両モデルにおける反発的相互作用からの超伝導不安定性を調査するため、ランダム位相近似（RPA）の適用。
• 強い結合極限におけるt-Jモデルの導出。スピン交換相互作用 $J_1$（面内）および $J_2$（面外）が、Ni $d_{x^2-y^2}$ 軌道間で作用する。
• t-Jハミルトニアンの平均場的分解により、$d_{x^2-y^2}$、$s$-波型、$d_{z^2}$-型対称性のチャンネルにおける自己無撞着なギャップ方程式の解法。
• $100\times100\times50$ のkメッシュ上で、フェルミ・ディラック分布関数を用いてギャップ方程式を数値的に解き、超伝導ギャップおよび基底状態エネルギーを計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる電子的モデルにおいて、無限層ニッケレートにおける$d_{x^2-y^2}$-波型対称性が支配的な超伝導チャンネルであるか。
• RQ2 Nd 4d 軌道との混合が、ニッケレートにおける$d_{x^2-y^2}$-波型対称性の安定性に与える影響は。
• RQ3 Nd 4d 状態に起因する電子パケットの存在が、$d_{x^2-y^2}$-波型対称性の対称性を抑制または変化させるか。
• RQ4 $d_{x^2-y^2}$-波型対称性が、弱い結合（RPA）および強い結合（t-Jモデル）の両方の取り扱いにおいて安定しているか。
• RQ5 ニッケレート系において、$d_{x^2-y^2}$-波型ギャップを最大化する最適ドーピングレベルは何か。

主な発見

• 単一軌道および三軌道タイトビンディングモデルの両方において、RPA解析が一貫して$d_{x^2-y^2}$-波型対称性を支配的な超伝導チャンネルとして特定した。
• t-Jモデルにおいて、$J_1 = J_2 > 0.05$ に達すると、$d_{x^2-y^2}$-波型ギャップが急激に増加し、強い結合極限における強い対称性の傾向を示した。
• 穴ドーピング 0.1（すなわち $n = 0.9$）のとき、$d_{x^2-y^2}$-波型ギャップは最大に達し、電子ドーピングは超伝導性を低下させた。
• $n = 0.8$ の3次元ギャップ関数は、球面的フェルミ面においてギャップがほぼ消えることから、RPA結果およびノード性と整合的であった。
• Nd 4d 電子パケットの取り入れは、$d_{x^2-y^2}$-波型対称性にほとんど影響を与えず、金属的母体に対して強い安定性を示した。
• $J_1$ の増加に伴い基底状態エネルギーが減少し、t-Jモデルにおける超伝導状態の安定性が確認された。