[논문 리뷰] High Temperature Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$

Kun Jiang, Ziqiang Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 13.

Advanced Chemical Physics Studies참고 문헌 48인용 수 10

한 줄 요약

압력 하에서 La3Ni2O7이 스핀-오비탈 교환을 통한 대칭 밴드와의 결합으로 강화된 d-파형 결합을 가진 강하게 상관된 거의 반가득한 비대칭(beta) 밴드에 의해 고온 초전도성을 갖는다고 논의한다. 그 결과는 대칭 밴드와의 결합으로 갭이 증가하고 Tc가 더 높은 일치하는 d-파형 상태로 나타난다.

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of high-temperature superconductivity in bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, we study its electronic properties and superconductivity due to strong electron correlation. Using the inversion symmetry, we decouple the low-energy electronic structure into block-diagonal symmetric and antisymmetric sectors. We find that the antisymmetric sector can be reduced to a one-band system near half filling, while the symmetric bands occupied by about two electrons are heavily overdoped individually. Using the strong coupling mean field theory, we obtain strong superconducting pairing with $B_{1g}$ symmetry in the antisymmetric sector. We propose that due to the spin-orbital exchange coupling between the two sectors, $B_{1g}$ pairing is induced in the symmetric bands, which in-turn boosts the pairing gap in the antisymmetric band and enhances the high-temperature superconductivity with a congruent $d$-wave symmetry in pressurized La$_3$Ni$_2$O$_7$.

연구 동기 및 목표

• 압력 하에서 La3Ni2O7에서 고Tc 초전도성을 찾는 동기를 제시하고 이중층 구조의 역할을 이해한다.
• 저에너지 전자 구조를 대칭 섹터와 비대칭 섹터로 분리하고 초전도성을 담당하는 섹터를 규명한다.
• 강결합 평균장 이론을 적용하여 비대칭 섹터에서 초전도 질서를 얻고 섹터 간 결합 효과를 검토한다.
• 계층 간 스핀-오비탈 교환이 대칭 및 비대칭 섹터를 어떻게 결합시켜 결합을 강화하는지 제안한다.

제안 방법

• DFT 기반 매개변수를 사용하여 La3Ni2O7에 대한 이중층 두 궤도 Tight-binding 모델을 유도한다.
• 역전 대칭을 이용해 해밀토니안의 블록 대각화를 통해 대칭(S) 및 비대칭(A) 섹터로 나눈다.
• 반가득 근처의 비대칭 beta 밴드를 단일 밴드 t-J 모델로 매핑하고 슬레이브 보손 평균장 이론으로 풀이한다.
• B1g 대칭으로 초전도 질서를 계산하고 x≈0.1에서 터널링 DOS를 추출한다.
• S와 A 섹터 사이의 스핀-오비탈 교환 결합 H_SAS를 도입하고 결합된 평균장 문제를 풀이한다.
• 유한-U 구츠비에르 근사로 강건성을 평가하여 페르미면 진화를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력 하의 La3Ni2O7에서 비대칭 beta 밴드가 거의 반가득한 상태가 초전도성의 주된 원인인가?
• RQ2 대칭 및 비대칭 섹터 간의 스핀-오비탈 교환이 대칭 밴드에서의 d-파형 결합을 유도하고 강화할 수 있는가?

주요 결과

• 비대칭 beta 밴드가 거의 반가득에 있으며 단일 밴드 t-J 프레임워크에서 B1g 대칭의 강한 d-파형 결합을 생성한다.
• 평균장 beta-밴드 결합은 x≈0.1에서 χ≈0.38, Δ≈0.19의 매개변수를 가지며 터널링 DOS 갭은 21.3 meV이다.
• 섹터 간 스핀-오비탈 교환 H_SAS가 J_SA≈0.05 eV일 때 대칭 밴드(α와 γ)에 일치하는 B1g 결합을 유도한다.
• 대칭 밴드와의 결합은 beta 밴드 갭을 증가시키고 S 밴드로부터 24.0 meV 및 18.7 meV의 추가 갭을, DOS에서 beta 밴드로부터 약 37.9 meV의 두드러진 갭을 생성한다.
• 결과적으로 초전도 상태는 섹터 전반에서 일치하는 d-파형(B1g)으로, 단일층 구타라이트에 비해 압력 하의 이중층 La3Ni2O7에서 더 높은 Tc를 시사한다.