[논문 리뷰] Effective model and pairing tendency in bilayer Ni-based superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$

Yuhao Gu, Congcong Le외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 12.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 La3Ni2O7에 대한 이층 두 궤도 모델을 구성하고 FRG와 다중 궤도 t-J 프레임워크를 사용해 결합 경향성을 분석하며, dz2 궤도에 의해 구동되는 s±-파동 결합을 발견한다.

ABSTRACT

Since the discovery of cuprate, the origin of high-T$_c$ superconductivity has been an outstanding puzzle. Recently, high-T$_c$ superconductivity was observed in a bilayer nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, whose structure hosts the apical oxygen between two layers, distinct from multi-layer cuprates. Motivated by this discovery, we investigate its electronic structure using first-principle calculations and superconducting instabilities from both weak-coupling and strong-coupling perspective. Based on the first-principle band structures, we construct a bilayer two-orbital model on a square lattice, consisting of $d_{x^2-y^2}$ and $d_{z^2}$ orbitals, which accurately captures the low-energy electronic properties. Within this model, we study pairing instability using both functional renormalization group approach and multi-orbital t-J model. An $s_{\pm}$-wave pairing with sign-reversal gaps on different Fermi surfaces is revealed, reminiscent of iron based superconductors. The Ni-$d_{z^2}$ orbital and its associated interlayer and intralayer exchange couplings are found to be crucial for the high-T$_c$ superconductivity. Our study provides valuable insights into unique nature of electronic structure and superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ and contributes to the understanding of unconventional superconductors.

연구 동기 및 목표

• 압력 하에서 전이구체를 넘어선 고 Tc 기전을 bilayer 니켈레이트에서 찾고자 한다.
• 페르미 준근처의 저에너지 전자 구조를 포착하는 이층 두 궤도 모형을 구성한다.
• 약-에서 중간 결합 FRG와 강결합 t-J 접근법을 사용해 초전도 불안정성을 조사한다.
• dz^2 오빗이 초전도성을 촉진하는 역할과 파동 대칭을 확인한다.

제안 방법

• 직접 계산된 밴드 구조를 사용해 d_x2−y2 및 d_z2 오빗에 대한 사각 격자 이층 두 궤도 터닝 바인딩 모델을 구축한다.
• 필요 시 고에너지 dz^2 반결합 상태를 무시해 간단한 세 궤도 그림을 얻는다.
• 유효 계수 함수의 진화를 추적하고 주도적 불안정성을 식별하기 위해 기능적 재규격화 그룹(FRG)을 적용한다.
• 강결합에서의 짝짓기를 연구하기 위해 다궤도 t-J 모델을 사용하고, 간극 구조를 얻기 위해 평균장 이완을 수행한다.
• 스핀 변동 유도 짝짓기를 분석하고 간극 대칭 및 모멘텀 의존성을 추출한다.
• 삼차원 효과 및 도핑이 짝짓기 경향에 미치는 영향을 논의한다.

Figure 1: (color online) (a) Crystal structure of \ce La3Ni2O7 in the high-pressure phase. (b) The illustration of the two vertex-sharing NiO 6 octahedra complex, the corresponding energy splitting of d orbitals, and the electronic configuration of d orbitals for two Ni 2.5+ . DFT band structure (c)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 하에서 La3Ni2O7의 저에너지 전자 구조는 무엇인가?
• RQ2 이층 두 궤도 프레임워크에서 약-에서 중간 결합으로 어떤 짝짓기 경향이 나타나는가?
• RQ3 dz^2 오빗은 초전도성에 어떻게 기여하며 어떤 결과적 간극 대칭을 형성하는가?
• RQ4 층간 및 층내 교환 상호작용이 dz^2 및 dx^2−y^2 채널의 짝짓기에 어떠한 영향을 미치는가?
• RQ5 전자 도핑이나 홀 도핑이 Tc와 짝대칭에 어떤 영향을 주는가?

주요 결과

• FRG와 t-J 분석 모두에서 서로 다른 페르미 표면 간의 위상 반전 간극을 가지는 s±-파동 짝짓기가 발견된다.
• dz^2 오빗과 그것의 층간 및 층내 교환 상호작용은 높은 Tc 초전도성에 결정적이다.
• dz^2 결합 상태의 감마 포켓과 층간 dx^2−y^2 반결합 상태의 베타 포켓이 지배적인 짝짓기 채널을 유도한다.
• 대각선을 따라 노드를 갖는 보조 dx^2−y^2 파동 짝짓기가 나타난다.
• 전자 도핑은 짝대칭을 바꾸지 않으면서 Tc를 높일 수 있으며, 포켓 간 위상 구조는 보존된다.
• s± 상태는 알파, 베타, 감마 포켓 간의 위상 반전이 포켓 간 산란 패턴과 일치한다.

Figure 2: (color online). (a) The schematic of main hopping parameters in the bilayer two-orbital model. Orbital-resolved band structure (b) and Fermi surfaces (c) from the tight-binding model with a electron filling $n=3$ . The orbital contributions are represented using different colors: d ${}_{x^