[논문 리뷰] Possible high $T_c$ Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under High Pressure through Manifestation of a Nearly-Half-Filled Bilayer Hubbard Model

Hirofumi Sakakibara, Naoya Kitamine외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 09.

Iron-based superconductors research참고 문헌 79인용 수 24

한 줄 요약

저자들은 high pressure에서 La$_3$Ni$_2$O$_7$에 대한 네 오빗 모델을 구성하고, d_{3z^2-r^2} 이중층 오빗털 Hubbard 영역에서 고 Tc를 갖는 $s\u0000D\u0000D$-wave 초전도성이 d_{x^2-y^2} 오빗털과의 결합이 있어도 등장할 수 있음을 보인다.

ABSTRACT

Inspired by a recent experiment showing that La$_3$Ni$_2$O$_7$ exhibits high $T_c$ superconductivity under high pressure, we theoretically revisit the possibility of superconductivity in this material. We find that superconductivity can take place which is essentially similar to that of the bilayer Hubbard model consisting of the Ni $3d_{3z^2-r^2}$ orbitals. Although the coupling with the $3d_{x^2-y^2}$ orbitals degrades superconductivity, $T_c$ can still be high enough to understand the experiment thanks to the very high $T_c$ reached in the bilayer Hubbard model.

연구 동기 및 목표

• 실제 물질에서 이중층 Hubbard 물리량을 통한 더 높은 Tc 초전도성의 탐색을 동기화한다.
• 고압 하에서 La$_3$Ni$_2$O$_7$에 대해 관련 오빗 궤도 결합을 포함하는 현실적인 네 오빗 모델을 구성한다.
• 스핀 변동 매개 페어링(FLEX)을 사용한 초전도 성향을 평가하고 Tc 관련 물리량을 결정한다.
• 교차오빗 결합과 밴드 구조의 구체성이 페어링 및 Tc에 미치는 영향을 탐구한다.
• 이 시스템에서 초전도성을 더 향상시킬 재료 설계 경로를 제시한다.

제안 방법

• QUANTUM ESPRESSO로 고압에서의 전자구조를 얻기 위한 퍼스트 프린시플 밴드 계산을 수행한다.
• 두 Ni 사이트 per unit cell에서의 네 오빗 낮은 에너지 모델을 도출하기 위해 최대한 국소화된 Wannier 함수를 구성한다 (d_{x^2−y^2} 및 d_{3z^2−r^2}).
• 온사이트 상호작용 U, U', J, J'를 사용하여 fluctuation-exchange(FLEX) 근사에서 모델을 해결한다. U=3 eV, J=0.3 eV, U'=2.4 eV.
• 선형화된 Eliashberg 방정식을 계산하여 고유값 λ를 Tc의 대략 지표로 얻는다(λ → 1은 Tc).
• 교차오빗 결합과 혼합화(hybridization)의 역할을, 이 결합을 끄거나 변화시킨 다양한 변형과 비교 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 하에서 La$_3$Ni$_2$O$_7$가 d_{3z^2−r^2} 오빗털에 의해 구동되는 이중층 Hubbard 유사 초전도 상태를 실현할 수 있는가?
• RQ2 교차오빗 상호작용 및 d_{3z^2−r^2}–d_{x^2−y^2} 혼합화가 초전도 페어링 및 Tc에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 매질에서 Tc를 향상시킬 수 있는 매개변수 변화(예: ΔE, t_perp)는 무엇인가?
• RQ4 이 시스템의 초전도 격자가 s± 타입의 갭을 가지는가, 그리고 이는 이중층 모델의 결합/비결합 밴드와 어떤 관련이 있는가?
• RQ5 cRPA에서 얻은 상호작용 값이 예측된 고-Tc 영역을 지지하는가?

주요 결과

• 고압에서 네 오빗 모델(d_{x^2−y^2} 및 d_{3z^2−r^2}를 두 Ni 사이트에 배치)이 강한 스핀 변동 매개 페어링을 유지할 수 있으며 n≥1.5에서 큰 λ를 얻어 cuprate과 유사한 Tc 영역을 시사한다.
• 초전도 격자는 d_{3z^2−r^2} 가중치가 큰 곳에서 크고, d_{3z^2−r^2} 밴드의 결합/비결합 포켓이 서로 반대 위상을 가진 갭을 가지며, 이는 s± 유사 상태를 시사한다.
• 교차오빗 상호작용과 혼합화는 Tc를 저하시킬 수 있지만, 이중층 d_{3z^2−r^2} 영역만으로도 cuprates에 비해 큰 λ를 지지할 수 있으며, 압력 하에서 관찰된 Tc≈80 K와 호환된다.
• cRPA 기반 상호작용 매개변수는 원래 모델의 λ 값과 유사한 값을 yielded하며, 결과의 강건성을 강화한다.
• Tc를 향상시키려면 전자도핑 또는 ΔE나 |t_perp|를 증가시키는 방법이 가능하며, 이는 d_{3z^2−r^2} 오빗털로의 자기도핑을 촉진하고 스핀 변동을 더 유리한 에너지로 이동시킨다.