[論文レビュー] Superconductivity and Antiferromagnetism in NdNiO$_2$ and CaCuO$_2$: A Cluster DMFT Study

Jonathan Karp, Alexander Hampel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Nambuスピン子を用いた2×2実空間クラスターダイナミカルメイントフィールド理論（DMFT）を用いて、NdNiO₂およびCaCuO₂における超伝導性と反強磁性秩序を同時にモデル化した。両材料とも、同等の穴ドーピングにおいて銅酸化物に類似した超伝導性が出現し、低ドーピングでは反強磁性が超伝導性のドームを限定し、高ドーピングではTcが抑制されることを明らかにした。これは、ニッケレート超伝導性が銅酸化物物理学と本質的に類似しているという仮説を支持する。

ABSTRACT

We perform a comparative $2 imes 2$ real space cluster DMFT study on minimal models for NdNiO$_2$ and CaCuO$_2$ obtained from downfolding DFT states, using a Nambu formalism that allows for both superconducting and antiferromagnetic order. We produce a phase diagram in temperature and doping. We find that for the nickelate, like the cuprate, the stoichiometric compound is antiferromagnetic. We find superconductivity in a doping range bounded, with a small coexistence region, by the onset of antiferromagnetism at low doping and with transition temperature becoming immeasurably small at high doping. Superconductivity emerges at around the same hole doping for both compounds, but requires a larger deviation from half filling for the nickelate. Both antiferromagnetic and superconducting order lead to a partial gapping of the $d_{x^2-y^2}$ Fermi surface sheet. Our similar results for the cuprate and nickelate suggest that nickelate superconductivity is cupratelike. We compare our results to the experimental phase diagram.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケレートNdNiO₂における超伝導性が、CaCuO₂のような銅酸化物と本質的に類似しているかどうかを調査すること。
• Nd由来のバンドと軌道混合が、電子構造および超伝導ペアリングに与える影響を特定すること。
• ニッケレートにおける複数の軌道と相関効果の重要性について、矛盾する理論的解釈を解消すること。
• 両ニッケレートおよび銅酸化物の実験的相図と理論的予測を比較すること。
• 強い軌道混合と競合秩序を示す系において、DFT+DMFTにおける二重数え上げ補正の妥当性を評価すること。

提案手法

• DFTのダウンフォールディングから得られる最小モデルを用いて、NdNiO₂およびCaCuO₂に対して2×2実空間クラスターダイナミカルメイントフィールド理論計算を実施した。
• Nambu形式を用いて、同一計算内で超伝導性および反強磁性秩序パラメータを同時に取り扱った。
• 自己相互作用効果を補正するため、DFTまたはDMFTの密度を用いた二重数え上げ補正を適用した。
• 3軌道モデル（Ni-dx²−y², dxy, dz²）と7軌道モデル（Nd-dz²およびdxy軌道を含む）を用い、モデルの安定性を検証した。
• 異常自己エネルギーおよび秩序パラメータを計算し、d波超伝導相および反強磁性相を特定した。
• 異なる二重数え上げスキームおよび異なる軌道数モデルの結果を比較することで、数値的安定性および物理的整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NdNiO₂における超伝導性が、CaCuO₂と同等のドーピングレベルで出現するかどうか。これは銅酸化物的物理が成立することを示唆する。
• RQ2 Nd由来のバンドおよびNi-d軌道との混合が、超伝導性および反強磁性相の安定性に与える影響は何か。
• RQ3 NdNiO₂における超伝導ドームが、銅酸化物と同様に低ドーピングで反強磁性秩序によって境界づけられるか。
• RQ4 dx²−y²軌道を越える軌道自由度が、ニッケレートにおける相関物理にどの程度寄与するか。
• RQ5 強い相関・多軌道系において、DFT+DMFTにおける二重数え上げ補正の選択が結果にどの程度感度を示すか。

主な発見

• 化学计量比のNdNiO₂は、実験的に1.7 Kまで長距離反強磁性秩序が観測されないにもかかわらず、その銅酸化物類縁体CaCuO₂と同様に反強磁性である。
• 両NdNiO₂およびCaCuO₂において、穴ドーピングx ≈ 0.12の付近で超伝導性が出現し、低ドーピングでは反強磁性が超伝導ドームを制限する。
• 遷移温度Tcはドーピングの増加に伴い減少し、高ドーピングでは測定不能なほど小さくなる。これは実験的観察と一致する。
• 反強磁性および超伝導性の両秩序が、dx²−y²フェルミ表面シートの部分的ギャップ形成を引き起こし、共通の電子的応答を示している。
• 7バンドモデルにおける追加軌道（例：Nd-dz²およびdxy）の導入は、異常自己エネルギーに質的変化をもたらさず、d波ペアリングのメカニズムの頑健性を支持する。
• 二重数え上げ補正の選択は異常自己エネルギーにわずかな定量的影響を及ぼすが、物理的相境界に質的変化をもたらさないため、手法の妥当性が裏付けられた。