[논문 리뷰] Induced Magnetic Two-dimensionality by Hole Doping in Superconducting Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$

Siheon Ryee, Hongkee Yoon외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 12.

Theoretical and Computational Physics인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LDA+DMFT 및 자성 반응 계산을 사용하여 Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$에서 정공 도핑이 이황성 자성 상관관계를 유도하며, δ ≈ 0.25에서 최대가 됨을 보여준다. 비도핑 상태는 페르미 액체 유사 상태이지만, 정공 도핑이 증가함에 따라 상관관계 강도는 도우-shaped 추세로 증가하고, 이는 면외 자성 상호작용을 억제하여 2차원 성질이 강화됨을 의미한다.

ABSTRACT

To understand the superconductivity recently discovered in Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$, we carried out LDA+DMFT (local density approximation plus dynamical mean-field theory) and magnetic force response calculations. The on-site correlation in Ni-$3d$ orbitals causes notable changes in the electronic structure. The calculated temperature-dependent susceptibility exhibits the Curie-Weiss behavior, indicating the localized character of its moment. From the low-frequency behavior of self-energy, we conclude that the undoped phase of this nickelate is Fermi-liquid-like contrary to cuprates. Interestingly, the estimated correlation strength by means of the inverse of quasiparticle weight is found to increase and then decrease as a function of hole concentration, forming a dome-like shape. Another finding is that magnetic interactions in this material become two-dimensional by hole doping. While the undoped NdNiO$_2$ has the sizable out-of-plane interaction, hole dopings strongly suppress it. This two-dimensionality is maximized at the hole concentration $\delta\approx0.25$. Further analysis as well as the implications of our findings are presented.

연구 동기 및 목표

• Nd$_{0.8}$Sr$_{0.2}$NiO$_2$에서 초전도성의 전자적 및 자성 기원을 이해하기 위해.
• 정공 도핑이 니켈산화물의 전자 상관관계와 자성 상호작용에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 도핑에 따라 자성 반응이 코팅산화물에서 관찰되는 것과 같이 2차원 성질로 어떻게 진화하는지 확인하기 위해.
• 특히 페르미 액체 유사 행동과 강한 상관효과 사이의 차이를 명확히 하기 위해 비도핑 상태의 성격을 규명하기 위해.

제안 방법

• Ni-3d 오비탈에서의 강한 전자 상관관계를 정확히 처리하기 위해 LDA+DMFT를 활용하였다.
• 국소 자위 행동을 탐색하기 위해 온도 의존성 자화율을 계산하였다.
• 준입자 협응성과 페르미 액체 특성을 평가하기 위해 저주파 자기에너지 분석을 수행하였다.
• 정공 도핑에 따라 면내 및 면외 방향의 자성 상호작용의 변화를 추적하였다.
• 정공 농도 함수로서 상관관계 강도를 정량화하기 위해 준입자 무게의 역수를 사용하였다.
• 자기력 반응의 세부 분석을 통해 스핀 변동의 차원성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정공 도핑은 NdNiO2에서 자성 차원성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비도핑 상태인 NdNiO2의 성격은 무엇인가—페르미 액체인가, 강한 상관체인가?
• RQ3 Ni-3d 전자에서의 상관관계 강도는 정공 농도에 따라 도우형 의존성을 보이는가?
• RQ4 정공 도핑이 증가함에 따라 면외 자성 상호작용은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 δ ≈ 0.25에서 관찰되는 자성 반응의 2차원 성질 향상의 근본 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 비도핑 상태인 NdNiO2는 저주파 자기에너지에 의해 페르미 액체 유사 행동을 보이며, 일반적으로 코팅산화물에서 관찰되는 강한 상관관계와는 다름을 확인하였다.
• 준입자 무게의 역수를 통해 측정한 상관관계 강도는 정공 도핑이 증가함에 따라 최대에 이르기까지 증가하고 나서 감소하여 도우형 곡선을 형성한다.
• 자기화율은 쿠리-왜스 행동을 따르며, 시스템 내에서 국소화된 자위의 존재를 확인한다.
• 비도핑 상태에서는 면외 자성 상호작용이 뚜렷하지만, 정공 도핑에 의해 강하게 억제된다.
• 정공 농도가 δ ≈ 0.25일 때 자성 상호작용은 최대한으로 2차원화되며, 이는 면내 스핀 변동의 급격한 증가를 나타낸다.
• 도핑에 의해 면외 결합이 억제됨에 따라 자성 반응에서 2차원 성질이 뚜렷하게 향상된다.