[論文レビュー] Trends in electronic structures and $s_{\pm}$-wave pairing for the rare-earth series in bilayer nickelate superconductor $R_ 3$Ni$_2$O$_7$

Yang Zhang, Ling-Fang Lin+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、密度汎関数理論および多軌道RPA計算を用いて、高圧下における希土類二層ニッケレート系 $R_3Ni_2O_7$ の電子構造および $s_{\pm}$-波超伝導ペアリングを調査する。Laを基とする $R_3Ni_2O_7$ が、フェルミ面のネストが強化され、電子相関が弱まるため超伝導に最適であり、希土類イオンの半径が小さくなるにつれて $T_c$ が低下することが判明した。これは、より高い $T_c$ を得るための基板工学の可能性を示唆している。

ABSTRACT

The recent discovery of pressure-induced superconductivity in the bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$ (LNO) has opened a new platform for the study of unconventional superconductors. In this publication, we investigate theoretically the whole family of bilayer 327-type nickelates $R_3$Ni$_2$O$_7$ ($R$ = Rare-earth elements) under pressure. From La to Lu, the lattice constants and volume decrease, leading to enhanced in-plane and out-of-plane hoppings, resulting in an effectively reduced electronic correlation $U/W$. Furthermore, the Ni's $t_{2g}$ states shift away from the $e_g$ states, while the crystal-field splitting between $d_{3z^2-r^2}$ and $d_{x^2-y^2}$ is almost unchanged. In addition, six candidates were found to become stable in the Fmmm phase, with increasing values of critical pressure as the atomic number increased. Similar to the case of LNO, the $s_{\pm}$-wave pairing tendency dominates in all candidates, due to the nesting between the {\bf M}=$(π,π)$ and the {\bf X}=$(π,0)$ and {\bf Y}=$(0,π)$ points in the Brillouin zone. Then, $T_c$ is expected to decrease as the radius of rare-earth (RE) ions decreases. Our results suggest that LNO is already the "optimal" candidate, with Ce a close competitor, among the whole RE bilayer nickelates, and to increase $T_c$ we suggest to grow on special substrates with larger in-plane lattice spacings.

研究の動機と目的

• 高圧下における $R_3Ni_2O_7$ 系（$R$ = 希土類）のFmmm相の安定性および電子構造を特定すること。
• 希土類カチオンが電子相関、軌道分裂、フェルミ面ネストに与える影響を評価すること。
• 希土類系列全体における超伝導ペアリング対称性および臨界温度（$T_c$）の傾向を評価すること。
• より高い $T_c$ を得るための最適候補を特定し、基板工学を用いた超伝導性の向上ルートを提案すること。

提案手法

• 構造的安定性および $R_3Ni_2O_7$ の電子バンド構造を決定するために、スピン極化を含む密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• DFTから導出したタイトバインディング（TB）モデルを用いて、Ni $d_{z^2}$ および $d_{x^2-y^2}$ 軌道の hopping 積分（$t_{\vec{x}}, t_{\vec{y}}, t_{\vec{z}}$）を計算した。
• 多軌道ランダム位相近似（RPA）を適用してスピン感受率を計算し、支配的ペアリングチャネルを同定した。
• LaからSmまでの希土類系列にわたる $U/W$ 確率、結晶場分裂、フェルミ面トポロジーの変化を追跡した。
• フォノンスペクトル解析を用いて、Fmmm相の安定性のための臨界圧力を計算した。
• M = $(\pi,\pi)$ および X/Y = $(\pi,0)$, $(0,\pi)$ 点間のフェルミ面ネストをマッピングし、$s_{\pm}$-波ペアリングの傾向を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの希土類 $R_3Ni_2O_7$ 化合物が高圧下でもFmmm相で安定するか？
• RQ2 希土類カチオンは、電子相関（$U/W$）、軌道分裂、フェルミ面トポロジーにどのように影響を与えるか？
• RQ3 $R_3Ni_2O_7$ 系全体におけるペアリング対称性および超伝導ペアリング強度は何か？
• RQ4 希土類元素のイオン半径が小さくなるにつれて $T_c$ は増加するか、減少するか？
• RQ5 より大きな面内格子定数を有する基板を用いた工学的アプローチにより、これらの材料の $T_c$ を向上させられるか？

主な発見

• Fmmm相は、LaからSmまでの6種の希土類元素に対して高圧下で安定化し、臨界圧力はLaからSmへ向かって増加する。
• 希土類イオン半径がLaからLuに減少するに従い、格子定数および体積が縮小し、面内および面外の hopping が強化され、$U/W$ が低下する。
• $d_{3z^2-r^2}$ および $d_{x^2-y^2}$ 軌道はエネルギー的に明確に分離されている一方、$t_{2g}$ 準位は完全に占有状態に保たれ、$e_g$ 準位から離れている。
• すべての $R_3Ni_2O_7$ 候補は、M = $(\pi,\pi)$ および X/Y = $(\pi,0)$, $(0,\pi)$ 点におけるフェルミ面シート間のネストにより、強力な $s_{\pm}$-波ペアリングの傾向を示す。
• 臨界温度 $T_c$ は、希土類イオン半径が小さくなるにつれて単調に低下することが予測され、La基の $R_3Ni_2O_7$ が最適な候補である。
• Ceドープ $R_3Ni_2O_7$ は2番目に優れた候補であり、$T_c$ はLa基化合物と僅かに低い。