[논문 리뷰] Flat bands promoted by Hund's rule coupling in the candidate double-layer high-temperature superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$

Yingying Cao, Yi‐feng Yang|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 13.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 35인용 수 13

한 줄 요약

저자들은 압력 하에서 La$_3$Ni$_2$O$_7$에 대해 DFT+DMFT 계산을 수행하여 두 가지 특성을 가진 Ni d 전자들: 전도성-국소화 이중 특성과 Hund 상호작용에 의한 평평한 대역, 그리고 초미세-금속(strange-metal) 거동이 초전도성의 토대를 이룰 수 있음을 시사한다. 또한 cuprates와 연결되는 강한 반강자성 상관 및 궤도 선택적 Mott/Kondo 유사 물리현상을 강조한다.

ABSTRACT

We report strongly correlated electronic band structure calculations of the recently discovered double-layer high-temperature superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure. Our calculations reveal dual nature of Ni-$d$ electrons with almost localized $d_{z^2}$ orbitals due to onsite Coulomb repulsion and very flat hybridization bands of Ni-$d_{x^2-y^2}$ and Ni-$d_{z^2}$ quasiparticles near the Fermi energy. We find that the quasiparticle effective mass are greatly enhanced by the Hund's rule coupling and their lifetimes are inversely proportional to the temperature, which explains the experimentally observed strange metal behavior in the normal state. We also find strong antiferromagnetic spin correlations of Ni-$d$ electrons, which may provide the pairing force of quasiparticles for the high-temperature superconductivity. These give a potential explanation of two key observations in experiment and connect the superconducting La$_3$Ni$_2$O$_7$ with cuprate high-temperature superconductors. The presence of flat bands and the interplay of orbital-selective Mott, Hund, and Kondo physics make La$_3$Ni$_2$O$_7$ a unique platform for exploring rich emergent quantum many-body phenomena in the future.

연구 동기 및 목표

• La$_3$Ni$_2$O$_7$의 전자구조를 약한 상관 관계로 한정된 DFT 그림을 넘어 고압에서 분석한다.
• Ni d 전자의 이중 전도-국소화 특성과 Hund의 결합 역할을 확인한다.
• 궤도 선택적 Mott, Kondo 유사성과 스핀 변동이 초전도성 및 strange metal 거동과 어떤 관련이 있는지 밝힌다.
• 고온 및 정상상태 수송에 대한 실험적 관찰과의 연결 고리를 제시한다.
• 이 물질에서의 Emergent 다체 현상을 위한 평평 대역의 함의들을 탐구한다.

제안 방법

• 고압에서 궤도 투영 밴드 구조를 얻기 위해 WIEN2k를 사용하여 DFT 계산을 수행한다.
• Ni d 전자에 대해 U=5 eV 및 J=1 eV를 적용한 DFT+DMFT로 강한 상관을 포착한다.
• DMFT 임피던스 해법으로 하이브리드화 확장 연속시간 양자 몬테카를로를 사용하고, 해석적 연속화를 위해 최대 엔트로피를 적용한다.
• 자기에너지를 추출하여 준입자 재정규화 인자와 대역 평탄화를 얻는다.
• 정적 국지 스핀 감수성과 Curie-Weiss 거동을 분석하여 국부 모멘트와 자기상호작용을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력 하에서 La$_3$Ni$_2$O$_7$의 Ni d 전자 상관의 본질은 무엇인가?
• RQ2 Hund 규칙 결합이 페르미 에너지 근처의 밴드 재정규화 및 대역 평탄성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 궤도 선택적 Mott 또는 Kondo 유사 프로세스가 전자구조와 잠재적 페어링 메커니즘에 역할을 하는가?
• RQ4 반강자성 스핀 변동이 이 시스템의 초전도성 및 strange-metal 거동을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• Ni d$_{z^{2}}$ 전자는 거의 국소화된 거동을 보이며 페ermi 에너지 근처에서 매우 평평한 준입자 대역을 형성하여 대역폭이 약 0.2 eV이다.
• Hund의 규칙 결합(J)이 준입자 재정규화를 크게 향상시켜 d$_{z^{2}}$의 역 Z를 J=0일 때의 약 1.6–1.7에서 J=1 eV일 때 약 3.2로 증가시키고 d$_{x^{2}-y^{2}}$에 대해서도 영향을 준다.
• d$_{x^{2}-y^{2}}$ 대역은 d$_{z^{2}}$와의 혼성화로 근처 EF에서 강하게 재정규화되어 평평한 대역과 큰 질량 증가를 만들어 낸다.
• 자기에너지의 허수부가 두 d 궤도에서 온도 선형 거동을 보이며 strange-metal 저항성과 일치한다.
• 정적 국지 스핀 감수성은 Curie-Weiss 법칙을 따르며 큰 음의 Weiss 온도(약 -300 K)를 나타내어 Ni d$_{z^{2}}$ 모멘트 간의 강한 층간 반강자성 상호작용을 시사한다.
• 결과는 d$_{x^{2}-y^{2}}$ 대역과의 하이브리드화를 통해 일관된 반강자성 스핀 변동이 이 시스템의 초전도성을 가능하게 하는 메커니즘을 제시하며, Cuprates와의 연결성을 강화한다.
• 이 연구는 궤도 선택적 Mott, Hund, Kondo 유사 물리학이 이 물질에서 Emergent quantum phenomena의 프레임워크로 작동함을 시사한다.