[論文レビュー] Structural phase transition, $s_{\pm}$-wave pairing and magnetic stripe order in the bilayered nickelate superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure

Yang Zhang, Ling-Fang Lin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 72被引用数 14

ひとこと要約

本論文は DFT と RPA を用いて La3Ni2O7 が高圧下で構造転移を受け、Fmmm 位相でスピン変動に mediated された s± 波対称性の結合を示し、磁性ストライプ秩序を示すこと、γポケットの存在と超伝導性の関連を示し、 Fmmm 位相を低圧で安定化すれば Tc が高くなる可能性を予測する。

ABSTRACT

Motivated by the recently discovered high-$T_c$ superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$, we comprehensively study this system using density functional theory and random phase approximation calculations. At low pressures, the Amam phase is stable, containing the Y$^{2-}$ mode distortion from the Fmmm phase, while the Fmmm phase is unstable. Because of small differences in enthalpy and a considerable Y$^{2-}$ mode amplitude, the two phases may coexist in the range between 10.6 and 14 GPa, beyond which the Fmmm phase dominates. In addition, the magnetic stripe-type spin order with wavevector ($π$, 0) was stable at the intermediate region. Pairing is induced in the $s_{\pm}$-wave channel due to partial nesting between the {\bf M}=$(π, π)$ centered pockets and portions of the Fermi surface centered at the {\bf X}=$(π, 0)$ and {\bf Y}=$(0, π)$ points. This resembles results for iron-based superconductors but has a fundamental difference with iron pnictides and selenides. Moreover, our present efforts also suggest that La$_3$Ni$_2$O$_7$ is qualitatively different from infinite-layer nickelates and cuprate superconductors.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7 の高圧下での構造安定性と相転移を評価する（Amam 対 Fmmm）。
• 高圧下での電子構造変化、フェルミ面ポケット、軌道寄与を特定する。
• DFT+UとRPA による磁性傾向と可能なストライプ秩序を調べる。
• 特に s± を中心とした対称性と、それが圧力およびフェルミ面トポロジーにどう依存するかを決定する。
• Tc への示唆と、相の安定化が超伝導性を高める可能性を評価する。

提案手法

• Ni 3d 状態を相関させるため U_eff=4 eV で VASP, PAW, GGA による DFT 計算を行う。
• 密度汎関数摂動理論および PHONONPY を用いて動的安定性を評価するためのフォノン分光を計算する。
• 最大局在ウェナー結合関数で Ni e_g バンドを適合させ、4-band bilayer の tight-binding モデルを得る。
• TB モデルに対して多軌道 RPA を適用し、スピン感受性と超伝導結合相互作用を計算する。
• 線形化ギャップ方程式を解いて、主要な対称性の固有値とギャップ構造（g_alpha(k)）を得る。
• d_{3z^2−r^2}, d_{x^2−y^2} の軌道性を含むフェルミ面ポケットと軌道成分の圧力依存的進化を分析する。

Figure 1: Differences between LNO and BSCCO. a The dominant orbital $d_{3z^{2}-r^{2}}$ of LNO vs. b the dominant orbital $d_{x^{2}-y^{2}}$ of BSCCO. c,d Sketches of Fermi surfaces for LNO and BSCCO, including the signs of the superconducting order parameter.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La3Ni2O7 は Amam から Fmmm への圧力駆動構造転移を起こすのか、10–14 GPa 範囲で共存があるのか。
• RQ2 圧力下での軌道およびフェルミ面トポロジーは磁性および超伝導傾向にどのように影響するのか。
• RQ3 相関によってストライプ磁性秩序（π,0）が有利になるのか、Hund結合はその安定性にどのように影響するのか。
• RQ4 Fmmm 相におけるスピン変動によってどの対称性の結合が有利になるのか、圧力にどう依存するのか。
• RQ5 低圧で Fmmm 相を安定化させると Tc にどのような影響があり、γ ポケットはどのような役割を果たすのか。

主な発見

• Amam 相は低圧で安定、Fmmm は約 10.6 GPa まで不安定で、そこから安定化する。9–14 GPa の間に共存の可能性があり、エンタルピー差が小さく Y2-歪みが sizable であるためである。
• フェルミ面は二つの電子ポケット（α, β）をもち、混合した d_{3z^2−r^2} および d_{x^2−y^2} 特性を持つ一方、γ ホールポケットは d_{3z^2−r^2} が支配的で、γ は圧力下で増大し β は縮小する。
• 中間的な Hubbard/ Hund 結合に対して DFT+U の範囲で π,0 のスピン散乱によりストライプ磁性秩序がエネルギー的に有利であり、秩序は J に対して敏感である。
• RPA 分析はリーディングな s± 対称性を示し、α, β 間および β, γ ポケット間で符号変化が見られ、d_{3z^2−r^2} 軌道を含む intra-orbital（π,0）散乱により駆動される。
• 結合強度 λ(s±) は圧力に伴い（π,0) スピン散乱が減少するため低下し、Fmmm 相（および γ ポケット）を低圧で安定化すれば Tc が高くなることを示唆する。Amam で γ ポケットが欠如することは超伝導性の抑制と関連する。
• この研究はネマティック傾向（退化したストライプ（π,0）と（0,π））を予測し、LNO における d_{3z^2−r^2} 軌道の重要な役割を強調する。一方 cuprates では d_{x^2−y^2} が支配的である点と対比される。

Figure 2: Crystal structures, Y 2- distortion amplitude, and phase transition. a Schematic crystal structure of the bilayer NiO 6 octahedron plane of LNO for the Amam (No. 63) and Fmmm (No. 69) phases (green = Ni; red = O), respectively. Different Ni-O bonds are distinguished by different colors. Th