[論文レビュー] Superconductivity from Doping Symmetric Mass Generation Insulators: Application to La$_3$Ni$_2$O$_7$ under Pressure

Da-Chuan Lu, Miao Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2023

Complex Systems and Time Series Analysis被引用数 11

ひとこと要約

tldr: ペアリングされた対称質量生成（SMG）絶縁体を二層ニ nickel酸化物モデルにドープすると高温超伝導が生じ、BCS-BECカrossoverを伴い、La$_3$Ni$_2$O$_7$を圧力下で適用して軌道寄与とTcの傾向を議論する frameworkを適用する。

ABSTRACT

We investigate the bilayer nickelates as a platform to realize the symmetric mass generation (SMG) insulator, a featureless Mott insulator that arises due to the Lieb-Schultz-Mattis (LSM) anomaly cancellation in bilayer spin-1/2 lattice systems. Through a single-orbital bilayer square lattice model involving intralayer hopping $t$ and interlayer superexchange interaction $J$, we demonstrate the emergence of high-temperature superconductivity (SC) upon doping the SMG insulator. The SC phase features $s$-wave interlayer spin-singlet pairing and exhibits a crossover between the BCS and BEC limits by tuning the $J/t$ ratio. We estimate the SC transition temperature $T_c$ from both the weak and strong coupling limits at the mean-field level. Our findings offer insights into the experimentally observed decrease in $T_c$ with pressure and the strange metal behavior above $T_c$. Additionally, we propose that both Ni $3d_{z^2}$ and $3d_{x^2-y^2}$ orbitals can exhibit superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, but their $T_c$ should vary in opposite ways under doping. This characteristic difference suggests a potential experimental pathway to identify which electronic orbital plays the principal role in the formation of superconductivity in this system.

研究の動機と目的

• La$_3$Ni$_2$O$_7$を圧力下のプラットフォームとしてSMG絶縁体とドーピング誘起超伝導の研究を動機づける。
• Ni-酸化物平面に関連する層内ホッピングと層間スピン交換を捉えた最小の二層正方格子モデルを導入する。
• 対称性とアノマリー解析が半充填での特徴のないSMG絶縁状態とドーピング誘起超伝導を可能にする方法を説明する。
• SMGフレームワークを実験観測と結びつけ、Tcの圧力依存性と潜在的な軌道の役割（d$_{z^2}$ 対 d$_{x^2-y^2}$）を議論する。

提案手法

• インラウンドホッピング t と層間ヘイスバーグ結合 J を用いた最小の二層正方格子ハミルトニアン H を構築する。
• 共鳴 cobordism 分类を用いてフェルミ面のアノマリーを分析し、アノマリー消去のため半充填時にのみSMGが許されることを示す。
• 弱結合（BCS）平均場解析を行いギャップ方程式からTcを得て充填 ν の依存性を検討する。
• 強結合（BEC）解析を Cooper-対子スペースへ射影して有効な対のホッピングモデルを導出し、コステルツ–無氷結理論からTcを推定する。
• 結合領域を跨ぐTcを統一的なBCS-BECカ crossoverフレームワークで補間し、La$_3$Ni$_2$O$_7$の圧力制御下での含意を議論する。

Figure 1: (a) The proposed bilayer square lattice model, featuring intralayer hopping $t$ and interlayer Heisenberg interaction $J$ . (b) Mean-field phase diagram, dominated by a single SC phase (blue) with $s$ -wave interlayer spin-singlet pairing, alongside Fermi gas (green), band insulator (purpl

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二層SMG絶縁体をドーピングすると二層ニコライド文脈で超伝導が生じうるか？
• RQ2 J/tと電子充填 ν の関数としてBCS-BECカ crossoverを跨ぐ Tc の進化はどうなるか？
• RQ3 Ni d$_{z^2}$ および d$_{x^2-y^2}$ 軌道は異なるドーピング依存性で超伝導に寄与するか？
• RQ4 SMGフレームワークは La$_3$Ni$_2$O$_7$ の Tc低下と Tc を超える奇妙金属挙動を説明できるか？
• RQ5 この系で超伝導の軌道起源を識別する実験的指標は何か？

主な発見

• 半充填時、二層モデルはアノマリー補完によって実現される特徴のないMott絶縁状態（SMG絶縁体）を支持する。
• SMG絶縁体をドープすると層間 s 波スピン閉じ込み対を持つ超伝導が生じ、J/t の変化とともにBCS-BECカ crossoverを示す。
• 弱結合（BCS）解析は moderate J/t 付近で ν≈1/2 に最大 Tc を与え、Tc は J およびDOSに比例する。
• 強結合（BEC）解析はTcがコペア磁性の移動性に支配され、J/t≈16/3でSMGとSC相を分ける臨界点を示す。
• Ni軌道のTc推定：d$_{x^2-y^2}$電子（ν≈1/4, t≈0.48 eV, J≈0.66 eV, J/t≈1.4）では Tc ≈ 79 K（BCS領域）；d$_{z^2}$電子（ν≈1/2, t≈0.1 eV, J≈0.66 eV, J/t≈6.6）では Tc が最大約 78 K に達するが、半充填で SMG により Tc は消失する。
• フレームワークは d$_{z^2}$ および d$_{x^2-y^2}$ の両方が超伝導に寄与する可能性を示唆するが、Tc のドーピング依存性が反対になる可能性があり、主軸軌道を同定する道を提供する。

Figure 2: (a) Lattice structure of the NiO 2 bilayer. (b) Interlayer hopping $t_{\perp}$ of $d_{z^{2}}$ electron through the Ni-O-Ni bond. (c) Intralayer hopping $t$ of $d_{x^{2}-y^{2}}$ electron trough the Ni-O-Ni bond.