[논문 리뷰] High-$T_c$ superconductivity by mobilizing local spin singlets and possible route to higher $T_c$ in pressurized La$_3$Ni$_2$O$_7$

Qiong Qin, Y. Yang|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 17.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 54인용 수 10

한 줄 요약

본 논문은 최소 이층 모델에서 정적 보조 필드 몬테카를로 방법을 사용해, 금속 d_x^2−y^2 밴드와의 혼성화를 통해 국부 d_z^2 계층 간 스핀 싱글릿을 활성화시키면 초전도성을 유도할 수 있으며, 하이브리드화에 대한 Tc의 비단조적 변화를 산출하고 압력하에 La3Ni2O7에서 더 높은 Tc로의 경로를 제시한다.

ABSTRACT

We clarify the pairing mechanism of high-$T_c$ superconductivity in bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$ under high pressure by employing the static auxiliary field Monte Carlo approach to simulate a minimal effective model that contains local $d_{z^2}$ interlayer spin singlets and metallic $d_{x^2-y^2}$ bands. Superconductivity is induced when the local spin singlet pairs are mobilized and attain long-distance phase coherence by hybridization with the metallic bands. When projected onto realistic Fermi surfaces, it yields a nodeless $s$-wave gap on the $γ$ Fermi surface, and extended $s$-wave gaps of the same (opposite) sign on the $α$ ($β$) Fermi surface due to its bonding (antibonding) character, with nodes or gap minima along the diagonal direction of the two-dimensional Brillouin zone. We find a dual role of the hybridization that not only induces global phase coherence but also competes with the spin singlet formation. This lead to a tentative phase diagram where $T_c$ varies nonmonotonically with the hybridization, in good correspondence with experimental observations. A roughly linear relation is obtained for realistic hopping and hybridization parameters: $T_c\approx 0.04-0.05 J$, where $J$ is the interlayer superexchange interaction. We emphasize the peculiar tunability of the bilayer structure and propose that $T_c$ may be further enhanced by hole doping or applying uniaxial pressure along the $c$ axis on superconducting La$_3$Ni$_2$O$_7$. Our work provides reliable numerical evidence for the pairing mechanism of high-$T_c$ superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ and points out a potential route to achieve even higher $T_c$.

연구 동기 및 목표

• 고압 하에서 이층 La3Ni2O7의 고 Tc 초전도성의 결합 기전을 명확히 밝힌다.
• 하이브리드화에 의해 국부 d_z^2 인터레이어 스핀 싱글릿의 동원으로 전역 위상 동기화를 통해 초전도성이 발생하는 메커니즘을 보여준다.
• 하이브리드화 강도 V가 페어링 강도와 위상 동기에 어떤 영향을 주는지 양상하고, 압력 하에서의 실험적 Tc 경향과 비교한다.
• 현실적인 페르미면에서의 간극 구조를 결정하는 초전도 간극 구조를 확인한다.
• J, V, 도핑 또는 단축 축 방향 압력 조절을 통해 더 높은 Tc를 얻을 수 있는 경로를 제안한다.

제안 방법

• 인터레이어 반강자기 초교환 J, 최근접 이웃 도송 t, 화학적 퍼텐셜 μ, 그리고 평면 혼성화 V를 d_z^2와 d_x^2−y^2 오비탈 사이에 갖는 최소 유효 이층 해밀토니언을 구성한다.
• Hubbs-Stratonovich 변환을 통해 지역 인터레이어 스핀 싱글릿 필드 Δi를 도입하여 J S1i·S2i 항을 가되화한다.
• Δi에 대해 시간 독립적(static) 근사를 적용하여 부호 문제를 피하고 Δi 구성을 몬테카를로 샘플링이 가능하도록 한다.
• 페르미온을 적분하여 얻은 유효 작용량 S_eff(Δi)를 계산하고 Δi의 열적/공간적 요동을 연구한다.
• p(Δ) 분포를 통한 지역 페어링을 분석하고, 위상 분포, 위상 상호정보, 소용돌이 밀도 dn_v/dT를 이용해 위상 동기를 평가한다.
• 세 가지 온도 스케일 Tc^I(위상 동기 시작), Tc^v(BKT 관련 소용돌이 증가), TΔ(국부 스핀 싱글릿 시작)를 식별한다.
• Tc를 J 및 V와 관련짓고 현실적 매개변수 범위에서 Tc ≈ 0.04–0.05 J로 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이압 하에서 La3Ni2O7에서 mobilized local d_z^2 인터레이어 스핀 싱글릿이 긴 거리의 위상 동기를 획득해 초전도성을 만들어내는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 d_z^2와 d_x^2−y^2 밴드 간 하이브리드화 V의 역할은 초전도성을 촉진하는가 아니면 저해하는가?
• RQ3 이 메커니즘에 대해 현실적 페르미면에서의 간극 구조는 어떻게 예측되는가?
• RQ4 모형이 압력 하에서 실험적으로 관찰된 비단조적 Tc(V) 경향을 재현할 수 있는가, 그리고 Tc를 더 높일 수 있는 경로는 무엇인가?

주요 결과

• 초전도성은 mobilized local spin singlet가 금속 밴드와의 하이브리드화로 긴 거리의 위상 동기를 얻을 때 발생한다.
• 지역 페어링 강도(TΔ)는 V 증가와 함께 감소하여 스핀 싱글릿 형성과 하이브리드화 간의 경쟁을 보여준다.
• 위상 동기(Tc^I, Tc^v)는 V에 따라 증가한 후 감소하는 비단조적 Tc를 유발하여 압력 하의 경험적 경향과 유사하다.
• 현실적인 t와 V 값에 대해 Tc ≈ 0.04–0.05 J의 대략 선형 관계를 발견하며, 더 큰 J로 Tc를 높일 수 있음을 시사한다.
• 예상되는 간극 구조: γ에서 무결점 s-파형, α에서 확장된 s-파형, β에서 반대 부호의 확장된 s-파형으로, V_k ∝ (cos kx − cos ky)에 따라 브리일루뇬 대각선에서 노드/최소가 존재한다.
• 위상 다이어그램은 최적의 V 근처에서 세 가지 스케일이 수렴하는 것을 보이며 압력 하의 Tc 거동( Tc가 약 80 K까지 상승한 뒤 감소하는 현상)을 재현한다.
• 상호층 교환 J를 증가시키거나 단축 축 방향 압력이 도입되어 V를 조절하는 등의 방법으로 더 높은 Tc를 달성할 수 있음을 시사한다.