[논문 리뷰] Quenched pair breaking by interlayer correlations as a key to superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$

Siheon Ryee, Niklas Witt외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 26.

High-pressure geophysics and materials인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고압 La₃Ni₂O₇에서의 계면 전자 상관관계(IECs)가 라이프시츠 전이를 유도하여 피어미 표면 위상구조를 변화시키고 해로운 강자성 불안정성을 억제함을 보여준다. 이 억제 작용은 스핀-싱เกlet $s$-파워/상호오비탈 $d_{x^2-y^2}$-파워 쌍성형을 강화시켜 관측된 $T_c \approx 80$ K 초전도성과 일치시키며, IECs가 고온 초전도체 니켈레이트를 설계하는 데 핵심 메커니즘임을 시사한다.

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ with $T_\mathrm{c} \simeq 80~\mathrm{K}$ under high pressure opens up a new route to high-$T_\mathrm{c}$ superconductivity. This material realizes a bilayer square lattice model featuring a strong interlayer hybridization unlike many unconventional superconductors. A key question in this regard concerns how electronic correlations driven by the interlayer hybridization affect the low-energy electronic structure and the concomitant superconductivity. Here, we demonstrate using a cluster dynamical mean-field theory that the interlayer electronic correlations (IECs) induce a Lifshitz transition resulting in a change of Fermi surface topology. By solving an appropriate gap equation, we further show that the leading pairing instability, $s \pm$-wave, is enhanced by the IECs. The underlying mechanism is the quenching of a strong ferromagnetic channel, resulting from the Lifshitz transition driven by the IECs. Based on this picture, we provide a possible reason of why superconductivity emerges only under high pressure.

연구 동기 및 목표

• 고압 La₃Ni₂O₇에서 계면 전자 상관관계(IECs)가 저에너지 전자 구조와 초전도성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• IECs가 피어미 표면 위상구조와 자화율에 어떻게 영향을 미쳐 초전도성 쌍성형을 촉진하는지 규명하는 것.
• IECs가 γ 피어미 표면 풍선이 없는 상황에서도 초전도성 쌍성형 불안정성을 어떻게 강화하는지에 대한 미세구조적 메커니즘을 규명하는 것.
• γ 풍선이 강자성 및 반자성 불안정성을 동시에 유도하는 역할을 하며, IECs에 의해 이 풍선이 제거될 경우 쌍성형 채널이 어떻게 변화하는지 평가하는 것.
• 계면 상관관계를 설계하여 고온 초전도성 니켈레이트를 설계할 수 있는 이론적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• La₃Ni₂O₇의 이중층 정사각형 격자 모델에 대해 클러스터 동역학 평균장 이론(CDMFT)을 적용하여 국소 및 비국소(계면) 전자 상관관계를 비파erturbative하게 포함하는 것.
• 계면 상관관계를 더 명확히 분리하고 계면 혼합 효과 분석을 단순화하기 위해 해밀토니안을 결합-반결합(BA) 오비탈 기저로 변환하는 것.
• 하이브리드레이션 전개 연속시간 양자 몽테카를로 방법을 사용해 불순물 문제를 해결하여 자기에너지 및 한 입자 그린 함수를 구하는 것.
• 복잡화된 한 입자 전파함수로부터 자화율과 쌍성형 상호작용 커널을 구성하여 자성 불안정성과 초전도성 불안정성을 분석하는 것.
• 전체 쌍성형 상호작용 커널을 사용해 갭 방정식을 풀어 주요 쌍성형 채널과 임계 온도를 결정하는 것.
• 계면 강자성 자화율 성분에 스케일링 인자 $\zeta$를 도입하여 쌍성형이 강자성 불안정성에 얼마나 민감한지 조사하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계면 전자 상관관계(IECs)는 고압 La₃Ni₂O₇에서 피어미 표면 위상구조를 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 γ 피어미 표면 풍선은 경쟁적인 강자성 및 반자성 스핀 불안정성을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 기존의 스핀 불안정성 이론에 비해 γ 풍선이 사라졌음에도 불구하고 CDMFT에서 왜 초전도성 쌍성형이 강화되는가?
• RQ4 IECs에 의한 강자성 불안정성 억제가 어떻게 $s$-파워/상호오비탈 $d_{x^2-y^2}$-파워 쌍성형을 강화하는가?
• RQ5 계면 혼합과 IECs를 어떻게 설계하여 니켈레이트에서 고온 초전도성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 계면 전자 상관관계(IECs)는 γ 피어미 표면 풍선을 제거하는 라이프시츠 전이를 유도하여 La₃Ni₂O₇의 저에너지 전자 구조를 변화시킨다.
• γ 풍선의 소실은 특히 $\chi^{0}_{z_+z_+z_+z_+}(\bm{q}=0)$ 성분인 주요 강자성(FM) 스핀 불안정성 채널을 억제하며, 이 성분은 스핀-싱เก릿 쌍성형에 대해 반발력을 갖는다.
• FM 채널의 억제는 전체 브릴루앙 존에 걸쳐 인력적 쌍성형 상호작용 $\Gamma^{\mathrm{s}}_{\bar{z}\bar{z}\underline{z}\underline{z}}(q=0)$ 를 초래하여 초전도성 쌍성형을 강화한다.
• 주요 쌍성형 불안정성은 내오비탈 $s$-파워/상호오비탈 $d_{x^2-y^2}$-파워, 즉 $s\pm$-파워 쌍성형으로 규명되었으며, DMFT에 비해 CDMFT에서 초전도 임계 온도가 향상된다.
• FM 자화율 성분 $\chi^{0}_{z_+z_+z_+z_+}$ 를 $\zeta$로 스케일링함으로써 FM 불안정성이 감소할수록 초전도성 불안정성과 인력적 쌍성형 상호작용이 증가하는 것이 확인된다.
• 이 결과는 IECs가 双층 니켈레이트에서 초전도성을 강화하는 데 핵심 메커니즘임을 입증하며, 고온 초전도성 물질 설계를 위한 설계 원칙을 제공한다.