[論文レビュー] Two-gap superconductivity and decisive role of rare-earth $d$ electrons in infinite-layer nickelates

Zhenglu Li, Steven G. Louie|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2022

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、*ab initio* GWおよびEliashberg理論を用いて、無限層ニッケレートNd₀.₈Sr₀.₂NiO₂におけるフォノン媒介二重ギャップ超伝導を予測している。Nd 4dおよびインタースティシャル軌道に支配されるフェルミ面シートに大きなs波ギャップが存在し、Ni 3dバンドに小さなギャップが見られる。穴ドーピングによりTcが低下するのは、非剛性バンド電子的応答によるものである。

ABSTRACT

We present a theoretical prediction of a phonon-mediated two-gap superconductivity in infinite-layer nickelates Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$ by performing $ extit{ab initio}$ $GW$ and $GW$ perturbation theory calculations. Electron $GW$ self-energy effects significantly alter the characters of the two-band Fermi surface and enhance the electron-phonon coupling, compared with results based on density functional theory. Solutions of the fully $ extbf{k}$-dependent anisotropic Eliashberg equations yield two dominant $s$-wave superconducting gaps - a large gap on a band of rare-earth Nd $d$ and interstitial orbital characters and a small gap on a band of transition-metal Ni $d$ character. Increasing hole doping induces a non-rigid-band response in the electronic structure, leading to a rapid drop of the superconducting $T_c$ in the overdoped regime in agreement with experiments.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケレート、特にNd₀.₈Sr₀.₂NiO₂における超伝導の起源を解明すること。
• 標準的DFT手法を超えたアプローチで、電子-フォノン結合および二重ギャップ超伝導が説明可能かどうかを特定すること。
• 希土類元素Nd 4d電子が超伝導ペアリングを媒介する役割を評価すること。
• 実験的に観測された穴ドーピングによるTcの低下を、非剛性バンド電子構造モデルを用いて説明すること。
• 先進的多体技法を用いて、ニッケレートにおける二重ギャップ超伝導状態を第一原理的に説明すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）を超えた電子構造を補正するため、*ab initio* GW計算を採用した。
• GW摂動理論を用いて、フェルミ面における電子自己エネルギー効果および電子-フォノン結合を計算した。
• 完全にk依存性で異方的であるEliashberg方程式を解き、超伝導ギャップおよび転移温度Tcを決定した。
• 穴ドーピングによる電子構造およびTcの変化を追跡し、過ドーピング領域の挙動をモデル化した。
• GW補正済みの電子-フォノン行列要素を用いて、ギャップ関数およびペアリング対称性を計算した。
• 波動関数分解およびフェルミ面マッピングを用いて、二つの超伝導ギャップの軌道的性質を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一原理多体手法を用いて、Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂における二重ギャップ超伝導を予測できるか？
• RQ2 Nd 4dおよびインタースティシャル軌道が、大きな超伝導ギャップを媒介する役割を果たすか？
• RQ3 穴ドーピングが電子構造およびTcに与える影響は、実験的観測と整合的か？
• RQ4 DFTと比較して、GW補正が電子-フォノン結合およびフェルミ面トポロジーにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 過ドーピング領域でTcが急激に低下するのは、非剛性バンド効果によるものか、その程度はいかほどか？

主な発見

• 二重ギャップ超伝導状態はフォノン媒介であり、Nd 4dおよびインタースティシャル軌道に支配されるフェルミ面シートに大きなs波ギャップが存在する。
• Ni 3d由来のフェルミ面シートに、より小さなs波ギャップが現れ、別個のペアリングチャネルを示している。
• GW自己エネルギー補正により、電子-フォノン結合が顕著に強化され、DFTと比較してフェルミ面トポロジーが変化した。
• 穴ドーピング下での電子構造は非剛性バンド応答を示し、過ドーピング領域におけるTcの急速な抑制を説明できる。
• 計算されたTc値は実験的観測と整合的であり、二重ギャップ状態がこのニッケレートの主要特徴であることを支持している。
• 希土類元素Nd 4d電子が、支配的超伝導ギャップを形成する上で決定的役割を果たしており、従来のNi 3d軌道が主因であるという見解に挑戦する。