[논문 리뷰] Kondo resonance and $d$-wave superconductivity in the $t-J$ model with spin one holes: possible applications to the nickelate superconductor Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$

Ya-Hui Zhang, Ashvin Vishwanath|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 27.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 니켈레이트 Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$에서 고온 초전도성의 기원을 설명하기 위해 스핀-1 구멍을 포함하는 타입 II $t-J$ 모델을 제안한다. 이 모델은 $d$-파일 초전도성의 두 가지 별개의 메커니즘을 도입한다: 스핀 대칭성 파괴를 동반한 스핀-1 구멍 응축과 코니도 공명을 통한 위상 일관성 있는 $d$-파일 초전도성. 통합된 삼페르미온 파arton 이론은 두 상황을 모두 수용하며, 도핑 영역도에서 구리산과 무거운 전자 물리학의 하이브리드 특성을 드러낸다.

ABSTRACT

The recent observation of superconductivity at relatively high temperatures in hole doped NdNiO$_2$ has generated considerable interest, particularly due to its similarity with the infinite layer cuprates. Building on the observation that the Ni$^{2+}$ ions resulting from hole doping are commonly found in the spin-triplet state, we introduce and study a variant of the $t-J$ model in which the holes carry S=1. We name this new model the Type II $t-J$ model. We find two distinct mechanisms for $d$ wave superconductivity. In both scenarios the pairing is driven by the spin coupling $J$. However, coherence is gained in distinct ways in these two scenarios. In the first case, the spin-one holes condense leading to a $d$ wave superconductor along with spin-symmetry breaking. Different orders including spin-nematic orders are possible. This scenario is captured by a spin one slave boson theory. In the second scenario, a coherent and symmetric $d$ wave superconductor is achieved from Kondo resonance: spin one holes contribute two electrons to form large Fermi surface together with the spin 1/2 singly occupied sites. The large Fermi surface then undergoes $d$ wave pairing because of spin coupling $J$, similar to fermion superconductor. We propose a three-fermion parton theory to treat these two different scenarios in one unified framework and calculate its doping phase diagram within a self consistent mean field approximation. Our study shows that a combination of cuprate physics and heavy fermion physics may emerge in the type II $t-J$ model.

연구 동기 및 목표

• 구멍이 스핀-1 준위로 기술되는 타입 II $t-J$ 모델을 통해 Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$와 같은 구멍 도핑 니켈레이트에서 고온 $d$-파일 초전도성의 기원을 설명한다.
• 도핑된 니켈레이트에서 관측된 Ni$^{2+}$ 이온의 스핀 트리플렛 특성을 설명하기 위해 기존의 $t-J$ 모델을 스핀-1 구멍을 포함하도록 확장한다.
• 단일 이론적 프레임워크 내에서 스핀 응축과 코니도 공명이라는 두 가지 별개의 $d$-파일 쌍성 메커니즘을 통합한다.
• 자기 일관성 평균장 근사법을 사용하여 타입 II $t-J$ 모델의 도핑 영역도를 유도한다.

제안 방법

• 구멍이 스핀-1을 지닌 타입 II $t-J$ 모델을 도입하여, 기존의 $t-J$ 모델에서 사용하는 스핀-1/2 구멍 개념을 대체한다.
• 스핀-1 슬레이브 보손 이론을 적용하여 첫 번째 메커니즘을 기술한다: 스핀-1 구멍의 응축이 초래하는 $d$-파일 초전도성과 스핀 대칭성 파괴.
• 삼페르미온 파arton 이론을 개발하여 스핀-1 구멍 응축과 코니도 공명 메커니즘을 하나의 프레임워크 내에서 통합한다.
• 타입 II $t-J$ 모델의 도핑 영역도를 계산하기 위해 자기 일관성 평균장 근사를 사용한다.
• 코니도 공명 메커니즘을 모델링하기 위해 스핀-1 구멍이 두 개의 전자를 기여하도록 허용하여, 큰 피에르미 표면을 형성하고 스핀 결합 $J$ 를 통한 $d$-파일 쌍성에 기여하도록 한다.
• 통합된 이론에서 스핀-네마틱 질서, 초전도성 쌍성, 피에르미 표면 재구성 간의 상호작용을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-1 구멍 기반의 $t-J$ 모델이 Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$에서 관측된 $d$-파일 초전도성의 기원을 설명할 수 있는가?
• RQ2 타입 II $t-J$ 모델에서 $d$-파일 쌍성의 두 메커니즘은 무엇이며, 그들의 위상 일관성과 대칭성 특성에서 어떻게 다를까?
• RQ3 스핀-1 구멍이 두 전자를 기여함으로써 발생하는 코니도 공명 메커니즘이 큰 피에르미 표면과 $d$-파일 쌍성을 어떻게 이끌어내는가?
• RQ4 삼페르미온 파arton 이론이 타입 II $t-J$ 모델에서 스핀 응축과 코니도 공명을 얼마나 잘 통합하는가?
• RQ5 타입 II $t-J$ 모델의 도핑 영역도는 어떻게 도출되며, 이는 구리산 물리학과 중성자 물리학의 하이브리드 특성을 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 스핀-1 구멍을 포함하는 타입 II $t-J$ 모델은 Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$와 같은 니켈레이트에서의 $d$-파일 초전도성 이해를 위한 일관된 프레임워크를 제공한다.
• 두 가지 별개의 $d$-파일 쌍성 메커니즘이 확인된다: 스핀-1 구멍 응축이 초래하는 스핀 대칭성 파괴와 스핀-네마틱 질서, 그리고 코니도 공명이 가능하게 하는 위상 일관성 있는 큰 피에르미 표면.
• 코니도 공명 메커니즘은 스핀-1 구멍이 두 전자를 기여함으로써 발생하며, 이는 스핀-1/2 단일 점유 상태와 혼성화되어 큰 피에르미 표면을 형성한다.
• 큰 피에르미 표면은 스핀 결합 $J$ 를 통해 $d$-파일 쌍성이 유도되며, 이는 전통적인 페르미온 초전도체와 유사하다.
• 삼페르미온 파arton 이론은 두 쌍성 메커니즘을 하나의 이론적 프레임워크 내에서 성공적으로 통합한다.
• 자기 일관성 평균장 계산을 통한 도핑 영역도 분석은 초전도성, 스핀-네마틱 질서, 피에르미 표면 재구성 간의 풍부한 상호작용을 드러내며, 이는 구리산과 중성자 물리학의 하이브리드 특성을 시사한다.