[論文レビュー] Superconductivity in a minimal two-band model for infinite-layer nickelates.

Peng Cheng, Hong‐Chen Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、4本の脚を持つシリンダー上で密度行列縮約法（DMRG）を用いて、無限層ニッケル酸化物の最小限の2バンド Hubbard モデルにおける超伝導性を調査した。12.5%の穴ドーピングにおいて、ニッケル層における超伝導相関および電荷密度相関がべき乗則に従うルス・エマリー液体の挙動を示すことが判明した。これは、非摂動的超伝導性の実験的観察と整合的である。

ABSTRACT

While the recent discovery of superconductivity in infinite-layer nickelates has drawn considerable attention, a common ingredient of the fundamental building blocks to describe their ground states has been lacking. A series of experimental and theoretical studies have suggested that an effective two-band Hubbard model with Ni 3$d_{x^2-y^2}$ and rare-earth ($R$) 5$d$ character may describe the low-energy physics. Here, we study the ground state properties of this two-band model on four-leg cylinders using the density-matrix renormalization group (DMRG). At half-filling, the ground state of the system is consistent with a Luttinger liquid, possessing quasi-long-range charge and spin correlations in the $R$ layer, but short-range correlations in the Ni layer. At a hole doping concentration of $\delta=12.5\%$, the $R$ layer is nearly empty and the ground state of the system is consistent with a Luther-Emery liquid, where we find power-law superconducting and charge density correlations in the Ni layer, but exponentially decaying spin correlations. The consistency of our results with experimental observations may help to reveal the microscopic mechanism for pairing in these nickelates and other unconventional superconductors.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケル酸化物における低エネルギー物理学を捉える最小限の有効モデルを同定すること。
• ニッケル 3d 軌道と希土類元素 5d 軌道の特性を有する2バンド系における超伝導性の出現を調査すること。
• 数値的に正確な DMRG シミュレーションを用いて、穴ドーピングにおける基底状態の性質を特定すること。
• 理論的結果とニッケル酸化物における超伝導性の実験的観察を結びつけること。

提案手法

• ニッケル 3d_{x^2-y^2} 軌道と希土類元素 5d 軌道の自由度を有する2バンド Hubbard モデルを構築した。
• 4本の脚を持つ円筒格子上において、密度行列縮約法（DMRG）を用いて数値的に解いた。
• 基底状態の性質を、相関関数（電荷、スピン、超伝導相関）を用いて分析した。
• 相転移や対称性の傾向を調べるために、半フィルイン状態および12.5%の穴ドーピング状態で系を解析した。
• 相関関数の減衰様式（べき乗則対指数関数的減衰）を用いて、基底状態をルッティンガー液体またはルス・エマリー液体に分類した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半フィルイン状態における、無限層ニッケル酸化物の最小限の2バンドモデルの基底状態の性質は何か？
• RQ2 穴ドーピングがニッケル層における超伝導相関および電荷密度相関の出現にどのように影響するか？
• RQ3 12.5%の穴ドーピングにおいて、べき乗則に従う超伝導相関が観測されるという点で、系はルス・エマリー液体の挙動を示すか？
• RQ4 予測された相関関数の挙動は、ニッケル酸化物における超伝導性の実験的観察と整合的か？
• RQ5 希土類元素 5d 軌道は、超伝導対の媒介または安定化にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 半フィルイン状態では、希土類元素層に準長距離の電荷およびスピン相関が見られるが、ニッケル層では短距離相関にとどまる。
• 12.5%の穴ドーピングでは、基底状態はルス・エマリー液体に一致し、ニッケル層におけるべき乗則に従う超伝導相関および電荷密度相関が特徴的である。
• 12.5%のドーピング状態では、スピン相関がニッケル層で指数関数的に減衰し、スピンギャップの形成を示している。
• 12.5%の穴ドーピング状態では、希土類元素層がほぼ空状態となり、スピン自由度がニッケル層から分離していることが示唆された。
• ニッケル層における観測されたべき乗則に従う超伝導相関は、ニッケル酸化物における超伝導性の実験的報告と整合的である。