[논문 리뷰] Interlayer Coupling Driven High-Temperature Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ Under Pressure

Lu Chen, Zhiming Pan외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 27.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 압력 하에서 La3Ni2O7에 대한 이층 t-J 모형을 도출하고, 계층 간 결합 J_perp가 d-파형에서 층간 s-파형 짝짓기로의 전이를 유도하며 Tc를 현저히 증가시킬 수 있고, s+id TRSB 상태가 가능하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The newly discovered high-temperature superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure has attracted a great deal of attentions. The essential ingredient characterizing the electronic properties is the bilayer NiO$_2$ planes coupled by the interlayer bonding of $3d_{z^2}$ orbitals through the intermediate oxygen-atoms. In the strong coupling limit, the low energy physics is described by an intralayer antiferromagnetic spin-exchange interaction $J_{\parallel}$ between $3d_{x^2-y^2}$ orbitals and an interlayer one $J_{\perp}$ between $3d_{z^2}$ orbitals. Taking into account Hund's rule on each site and integrating out the $3d_{z^2}$ spin degree of freedom, the system reduces to a single-orbital bilayer $t$-$J$ model based on the $3d_{x^2-y^2}$ orbital. By employing the slave-boson approach, the self-consistent equations for the bonding and pairing order parameters are solved. Near the physically relevant $\frac{1}{4}$-filling regime (doping $δ=0.3\sim 0.5$), the interlayer coupling $J_{\perp}$ tunes the conventional single-layer $d$-wave superconducting state to the $s$-wave one. A strong $J_{\perp}$ could enhance the inter-layer superconducting order, leading to a dramatically increased $T_c$. Interestingly, there could exist a finite regime in which an $s+id$ state emerges.

연구 동기 및 목표

• La3Ni2O7의 압력 하에서 고 Tc 초전도 현상을 이해하도록 동기를 부여하고 층간 결합의 역할을 규명한다.
• Ni 3d 궤도 간 Hund’s 규칙 결합을 포함하는 강한 상관관계 이중층 모형을 개발한다.
• 층간 결합이 짝짓기 대칭을 d-파형에서 층간 s-파형으로 바꾸고 Tc를 증가시킬 수 있음을 보인다.
• 중간 매개변수 영역에서 TRSB s+id 위상을 예측한다.
• 압력 하에서의 실험적 맥락과 전자/정공 도핑 가능성과 관련하여 이론적 매개변수를 연결한다.

제안 방법

• Ni 기반 유닛에 대해 H = H_parallel + H_perp인 두 궤도 이층 t-J-J_H 모형을 구성한다.
• 3d_z^2 스핀 차원을 적분하여 3d_x2-y2 스핀 간에 효과적인 층간 S=1/2 교환 J_perp를 얻는다.
• 슬레이브-보손 평균장 이론을 적용하여 스피논과 홀론을 구분하고, 홀론 응축이 RVB 짝짓기로부터 Tc를 결정하도록 한다.
• Delta_z와 Delta_x/y를 포함한 Δ(층내/층간 바인딩 및 짝짓기 순서파라미터(chi 및 Delta))를 도입하고 자가 일관적으로 풀이한다.
• 충만 x와 J_perp/J_parallel의 비율에 따른 기저 상태 짝짓기를 분석하여 s-파, d-파, s+id 영역을 매핑한다.
• 실용적인 LNO 매개변수(J_perp/J_parallel ≈ 1.75)를 현실적으로 연결하여 층간 s-파 짝짓기와 Tc 증가의 등장 여부를 확인한다.

Figure 1: (a). Schematic diagram for the two-orbital bilayer $t-J-J_{H}$ model. The charge carriers reside on the $3d_{x^{2}-y^{2}}$ orbitals, with intra-layer hopping $t$ and spin exchange $J_{\parallel}$ . The $3d_{z^{2}}$ orbital is a singly-occupied spin, with inter-layer spin exchange $J_{\perp

실험 결과

연구 질문

• RQ1 층간 결합 J_perp가 La3Ni2O7의 압력 하에서 초전도성을 향상시키는가?
• RQ2 층간 J_perp/J_parallel이 이층 t-J 모형에서 짝짓기 대칭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Hund’s 규칙 결합이 계층 간 상호작용을 유효한 층간 짝짓기 채널로 전달할 수 있는가?
• RQ4 TRSB s+id 짝짓기가 나타나는 매개변수 영역이 있는가?
• RQ5 현실적인 LNO 매개변수가 압력 하에서 Tc와 짝짓기 대칭에 어떤 시사점을 주는가?

주요 결과

• 층간 결합 J_perp는 관련 도핑 영역에서 단일층 d-파형 짝짓기를 층간 s-파형 짝짓기로 전환시킨다.
• J_perp/J_parallel이 증가하면 Tc가 크게 증가하며 J_perp이 J_parallel보다 큰 경우 압력 하의 고 Tc와 일치한다.
• 현실적인 LNO 매개변수(J_perp/J_parallel ≈ 1.75)에서 짝짓기는 층간 s-파이며 Delta_z가 Delta_x/y를 지배한다.
• 매개변수 공간의 좁은 영역에서 s-파와 d-파 영역 사이에 TRSB s+id 짝짓기 상태가 존재한다.
• 전자 도핑은 Tc를 더 증가시킬 것으로 예측되며, 천이된 apical-산소 공석은 (J_perp를 감소시켜) 초전도성을 억제한다.]
• table_headers: []
• table_rows: []} } } } }}}}

Figure 2: (a) Ground state phase diagram with respect to the filling $x$ and $J_{\perp}/J_{\parallel}$ with $J_{\parallel}=0.4t$ . The inset shows the pairing order parameters. At point I (0.28,1.4): $\Delta_{z}=3.1\times 10^{-3}$ , $\Delta^{(1,2)}_{x}=\Delta^{(1,2)}_{y}=-1.6\times 10^{-4}$ . At poi