[논문 리뷰] Characterizing the superconducting instability in a two-orbital $d$-$s$ model: insights to infinite-layer nickelate superconductors

Jiang Mi|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 31.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 동적 클러스터 양자 몽테카를로를 사용하여 초층수 니켈레이트에서 초전도 불안정성에 대한 상호 오비탈 혼성의 역할을 탐구하기 위해 이중 오비탈 $d$-$s$ 모델을 연구한다. 강한 $d$-$s$ 혼성은 저도핑에서 $d$-파일드 초전도를 억제하지만, 고도핑 및 큰 허버드 $U$ 조건에서는 초전도성을 향상시킬 수 있으며, 유한한 $s$-오비탈 점유는 초전도의 안정화에 기여한다.

ABSTRACT

Motivated by the recent realization of the infinite-layer nickelate superconductivity (SC), we quantitatively investigate a two-orbital $d$-$s$ model by dynamic cluster quantum Monte Carlo calculations. Focusing on the impact of inter-orbital hybridization on the superconducting properties, our simulations indicate that the $d$-$s$ hybridization strength has a decisive role in the suppression of the $d$-wave pairing in the doping regime relevant to infinite-layer nickelates. Although we confirm on the single-orbital description at weak hybridization, at relatively large hybridization, there exists a constructive effect of the non-negligibly finite $s$ orbital occupancy on inhibiting the suppression of the superconductivity. More strikingly, there exists a possible SC enhancement at large enough Hubbard interaction via large $d$-$s$ hybridization. We further provide some insights on the relevance of $d$-$s$ model to infinite-layer nickelates.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈레이트에서 Ni-$d_{x^2-y^2}$와 희토류 $5d$-기인 $s$-오비탈 간의 상호 오비탈 혼성이 초전도 쌍성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 유한한 $s$-오비탈 점유가 혼성으로 인한 $d$-파일드 초전도 억제를 상쇄시킬 수 있는지 여부를 규명하기 위해.
• $d$-$s$ 혼성이 초전도 전이 온도 $T_c$ 를 향상시킬 수 있는 조건을 탐색하기 위해.
• 이중 오비탈 $d$-$s$ 모델이 니켈레이트 시스템의 초전도성을 기술하는 최소한의 프레임워크로서 타당한지 평가하기 위해.
• 강한 상관 전자 시스템에서 혼성과 허버드 상호작용 $U$ 를 조절하여 $T_c$ 를 조절할 수 있는 잠재성을 검토하기 위해.

제안 방법

• Ni-$3d_{x^2-y^2}$ 를 모방하는 $d$-오비탈과 희토류 $5d$ 기인의 간극 상태를 나타내는 $s$-오비탈을 포함한 이중 오비탈 $d$-$s$ 하미르토니안을 수립한다.
• 근처 이웃 전이($t_d=1$, $t_s=0.5$), 상호 오비탈 혼성 $V_k = -2V(\text{cos}k_x + \text{cos}k_y)$, 그리고 $d$-오비탈에 대한 온사이트 쿠론 상호작용 $U$ 를 포함한다.
• 초전도 쌍성 수확도를 계산하고 $d$-파일드 쌍성 불안정성을 분석하기 위해 동적 클러스터 양자 몽테카를로(DCQMC)를 활용한다.
• 화학적 포텐셜 $μ$ 는 목표 전자 밀도를 확보하기 위해 조정되며, $s$-오비탈 에너지 $ϵ_s$ 는 비도핑 상태에서 약 6–10%의 $s$-점유를 유도하도록 조정된다.
• $d$-파일드 고유벡터와 반자성 스핀 수확도의 마츠부라 주파수 의존성을 비교하여 쌍성 메커니즘을 평가한다.
• 혼성 강도 $V/t_d$ 와 허버드 $U$ 를 체계적으로 변화시켜 도핑 영역 전반에 걸친 $T_c$ 경향을 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호 오비탈 $d$-$s$ 혼성이 이중 오비탈 $d$-$s$ 모델에서 $d$-파일드 초전도 쌍성 불안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비영제 혼성 조건에서 유한한 $s$-오비탈 점유가 초층수 니켈레이트에 해당하는 도핑 영역에서 초전도성을 증가시키거나 억제하는가?
• RQ3 큰 $d$-$s$ 혼성이 고도핑 및 큰 $U$ 조건에서 초전도 전이 온도 $T_c$ 를 비단조화적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 혼성 존재 조건에서 스핀 변동이 $d$-파일드 쌍성의 매개 역할을 하는가?
• RQ5 희토류 $5d$ 밴드의 역할을 감안할 때, 이중 오비탈 $d$-$s$ 모델이 초전도 니켈레이트에 대해 타당한 최소 기술 프레임워크인가?

주요 결과

• 상호 오비탈 $d$-$s$ 혼성이 저도핑에서 $d$-파일드 초전도를 억제하며, 도핑 수준이 높아질수록 억제 정도가 감소한다.
• 낮은 혼성($V/t_d = 0.1$) 조건에서는 $s$-오비탈 점유가 미미하여 시스템은 실질적으로 단일 $d$-오비탈 모델로 간주되며, $d$-파일드 쌍성이 유지된다.
• 강한 혼성($V/t_d = 0.6$) 조건에서는 고도핑 조건에서도 $d$-오비탈이 상당한 점유를 유지하여, 약한 혼성 조건보다 $T_c$ 억제 정도가 감소한다.
• $V/t_d = 0.6$ 조건에서 유한하지만 작은 $s$-오비탈 점유가 초전도의 억제를 완화하는 데 기여하며, 이는 $T_c$ 를 증진시키는 효과를 시사한다.
• 큰 허버드 $U$ 조건에서, 초전도성에 최적의 $U$ 가 강한 혼성($V/t_d = 0.6$) 조건에서는 약한 혼성($V/t_d = 0.1$) 조건보다 더 높은 값으로 이동함을 나타내어 향상 경로가 존재할 수 있음을 시사한다.
• $d$-파일드 고유벡터와 반자성 스핀 수확도의 비교는 혼성 존재 조건에서도 $d$-오비탈에서 스핀 변동 매개 쌍성 메커니즘이 유지됨을 지지한다.