[논문 리뷰] Correlation Effects and Concomitant Two-Orbital $s_\pm$-Wave Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under High Pressure

Yi-Heng Tian, Yin Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 18.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 39인용 수 9

한 줄 요약

셀룰러 DMFT로 해석된 이층 두 궤도 Hubbard 모델을 사용하여, 이 논문은 고압 하에서 La3Ni2O7에서 동시 두 궤도 s±-파 superconductivity가 형성되며 Ni e_g 두 궤도가 모두 SC를 형성하고 간궤도 스핀 결합의 영향을 받아 동시의 모트 전이가 일어난다는 것을 발견한다.

ABSTRACT

Possible high-$T_c$ superconductivity (SC) has been found experimentally in the bilayer material La$_3$Ni$_2$O$_7$ under high pressure recently, in which the Ni-$3d_{3z^2-r^2}$ and $3d_{x^2-y^2}$ orbitals are expected to play a key role in the electronic structure and the SC. Here we study the two-orbital electron correlations and the nature of the SC using the bilayer two-orbital Hubbard model downfolded from the band structure of La3Ni2O7 in the framework of the dynamical mean-field theory. We find that each of the two orbitals forms $s_\pm$-wave SC pairing. Because of the nonlocal inter-orbital hoppings, the two-orbital SCs are concomitant and they transition to Mott insulating states simultaneously when tuning the system to half filling. The Hund's coupling induced local inter-orbital spin coupling enhances the electron correlations pronouncedly and is crucial to the SC.

연구 동기 및 목표

• La3Ni2O7의 압력에서 고-Tc 초전도성 이해를 자극한다.
• 슈퍼커듀성에서 활성 Ni e_g 두 궤도(3d3z^2−r^2 및 3d x^2−y^2)의 역할을 조사한다.
• 궤도 간 결합과 Hund의 물리학이 페어링과 모트 전이에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.

제안 방법

• La3Ni2O7에 대한 DFT로부터 다운폴딩된 이층 두 궤도 Hubbard 모델을 사용한다.
• (셀룰러) DMFT를 0온도에서 두 사이트 임피던트 내 단위 셀로 해결한다.
• 임피던트 솔버로 Exact Diagonalization (ED) 및 Natural Orbitals Renormalization Group (NORG)을 사용한다.
• 결 bonding/antibonding SC 순서 매개변수 Δ_{α±}와 로컬/인터-레이어 페어링 Δ_{0α}, Δ_{1α}를 계산한다.
• 문제를 단순화하기 위해 mirror 대칭을 이용해 bonding/antibonding 상태로 변환한다.
• x 및 z 궤도 사이의 직교성 및 얽힘을 비자주 간 궤도 도약으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 Ni e_g 궤도가 고압에서 초전도 페어링을 형성하는지, 형성한다면 그 대칭은 무엇인가?
• RQ2 두 궤도가 SC와 모트 전이가 궤도 특이적으로가 아니라 동시적으로 일어나도록 결합되어 있는가?
• RQ3 Inter-orbital spin coupling(LIOSC)과 비국소 inter-orbital hoppings가 SC를 안정화하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 Inter-orbital hopping을 억제하면 궤도 선택적 모트 혹은 초전도상은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 두 Ni e_g 궤도 모두 half-filling에서 벗어나 도핑되면 s±-wave 초전도성을 실현한다.
• 두 궤도는 μ = 0에서 동시 모트 전이를 겪으며 SC는 함께 소멸한다.
• 비국소 간궤도 도약이 궤도를 얽히게 하여, 전체 모델에서 OSSC가 존재하지 않게 만든다.
• 로컬 간궤도 스핀 결합(LIOSC)은 전자 상관을 강화하고 z 궤도에서 얻은 AFM 상관을 공유하여 x-궤도 SC에 결정적 역할을 한다.
• LIOSC를 억제하면 강한 SC가 사라져 페어링에서 그 중요성이 드러난다.
• 비국소 inter-orbital hoppings t^{xz}_{3,4}를 억제하면 궤도 선택적 모트/SC 상이 나타나 동시성 있는 Behavior에 대한 그 중요성을 보여준다.