[논문 리뷰] Electron correlations and superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure tuning

Zhiguang Liao, Lei Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 31.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 27인용 수 14

한 줄 요약

본 논문은 압력하에서 La3Ni2O7에 대한 이층 이궤도 허버드 모델을 개발하고, S=1/2에서 S=3/2로의 교차를 발견하며, 궤도 선택적 모트 상을 확인하고, 궤도 선택적 초전도 쌍 형성을 예측하는 다중 궤도 t-J 모델을 유도한다.

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, we discuss the basic ingredients of a model that captures its microscopic physics under pressure tuning. We anchor our description in terms of the spectroscopic evidence of strong correlations in this system. In a bilayer Hubbard model including the Ni $3d$ $x^2-y^2$ and $z^2$ orbitals, we show the ground state of the model crosses over from a low-spin $S=1/2$ state to a high-spin $S=3/2$ state. In the high-spin state, the two $x^2-y^2$ and the bonding $z^2$ orbitals are all close to half-filling, which promotes a strong orbital selectivity in a broad crossover regime of the phase diagram pertinent to the system. Based on these results, we construct an effective multiorbital $t$-$J$ model to describe the superconductivity of the system, and find the leading pairing channel to be an intraorbital spin singlet with a competition between the extended $s$-wave and $d_{x^2-y^2}$ symmetries. Our results highlight the role of strong multiorbital correlation effects in driving the superconductivity of La$_3$Ni$_2$O$_7$.

연구 동기 및 목표

• 강한 전자 상관과 다중 Ni e_g 궤도에 관한 관점에서 고압하의 La3Ni2O7에서 초전도성에 대한 이해를 고무한다.
• 재료 내부의 강한 상관에 대한 분광학적 증거에 서술을 정박한다.
• Ni 3d x^2−y^2 및 z^2 궤도와 층간 결합을 반영하는 이층 두 궤도 허버드 프레임워크로 시스템을 모델링한다.
• 초전도성과 관련된 바닥 상태의 스핀 진화와 궤도 선택적 상관 효과를 규명한다.

제안 방법

• Ni x^2−y^2 및 z^2 궤도를 갖는 이층 이궤도 허버드 모델을 구성하고 tight-binding 매개변수를 DFT 유도 밴드에 맞춘다.
• 층간 Ni z^2 결합을 분석하기 위해 결합-반결합 분자 궤도 기준으로 변환하고 MO 기준으로 H_int를 재작성한다.
• U(1) 슬레이브-스핀 이론을 사용하여 궤도 해상 양자화된 준입자 가중치 Z_alpha와 전자 밀도를 계산하고 위상 다이어그램을 매핑한다.
• 저스핀에서 고스핀으로의 교차와 강한 궤도 선택성 영역을 찾아 OSMP(궤도 선택적 모트 상)을 유도한다.
• 고스핀/크로싱 영역에서 효과적인 다중 궤도 t-J 모델을 도출하고 Bogoliubov 평균장 분해를 통해 초전도 쌍 형성 채널을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력으로 조절된 상호작용하에서 La3Ni2O7의 바닥 상태 스핀 구성과 궤도 점유는 무엇인가?
• RQ2 궤도 선택적 상관이 전자 구조 및 재료의 잠재적 초전도 쌍형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 궤도 선택적 모트 물리학의 존재에서 초전도 쌍형성 대칭성과 그 궤도 특성의 본질은 무엇인가?

주요 결과

• 전자 상관은 이층 이궤도 허버드 모델에서 저스핀 S=1/2 상태에서 고스핀 S=3/2 상태로의 교차를 유도한다.
• 교차 영역에서 강한 궤도 선택성이 나타나며 Z_x2−y2 ≪ Z_z2 및 결합 궤도의 거의 반가득에 도달한다.
• 상호작용을 더 증가시키면 x^2−y^2가 국지화되고 z^2 결합은 전도성을 유지하는 궤도 선택적 모트 상(OSMP)이 발생하여 Drude 중량 저하와 이중성 전도성을 설명한다.
• 효과적인 다중 궤도 t-J 모델은 궤도 간 교환 J^xx가 증가함에 따라 확장된 s-파형(A1g)에서 d-파형(B1g)으로 진화하는 선두 초전도 쌍형성을 예측하고, 쌍의 진폭에서 강한 궤도 선택성을 보인다.
• 결과는 압력 하에서 La3Ni2O7의 초전도를 이끄는 다중 궤도 상관 및 OSMP 근접성의 역할을 강조한다.