[논문 리뷰] Robust $d_{x^2-y^2}$-wave superconductivity of infinite-layer nickelates

Xianxin Wu, Domenico Di Sante외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 06.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 초순수 계산, 타이트버드 모델, 그리고 약한 및 강한 결합 영역에서의 재정렬된 양자역학적 이론(RPA)을 사용하여 무한층 나이켈레이트에서의 초전도성에 대해 조사한다. 단일 오비탈 및 삼오비탈 모델 모두에서 강력한 $d_{x^2-y^2}$-파동 쌍성 대칭이 발견되었으며, RPA 및 t-J 모델 평균장 분석을 통해 확인되었으며, 이는 Nd 4d 오비탈 혼성화 및 전자 포켓이 존재하더라도 안정된 쌍성임을 시사한다. 이는 구리산염과 유사한 기본 메커니즘을 가진다 하더라도 나이켈레이트 고유의 특성임을 시사한다.

ABSTRACT

Motivated by the recent observation of superconductivity in strontium doped NdNiO$_2$, we study the superconducting instabilities in this system from various vantage points. Starting with first-principles calculations, we construct two distinct tight-binding models, a simpler single-orbital as well as a three-orbital model, both of which capture the key low energy degrees of freedom to varying degree of accuracy. We study superconductivity in both models using the random phase approximation (RPA). We then analyze the problem at stronger coupling, and study the dominant pairing instability in the associated t-J model limit. In all instances, the dominant pairing tendency is in the $d_{x^2-y^2}$ channel, analogous to the cuprate superconductors.

연구 동기 및 목표

• Sr 도핑된 NdNiO2, 즉 최신으로 발견된 나이켈레이트 초전도체에서의 초전도 쌍성 대칭을 규명하는 것.
• 구리산염에서 관찰된 $d_{x^2-y^2}$-파동 쌍성이 전자 구조의 차이에도 불구하고 나이켈레이트에서 안정적인지 평가하는 것.
• Nd 4d 오비탈 혼성화 및 전자 포켓이 초전도 쌍성 안정성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 동일한 시스템에서 약한 결합(RPA)과 강한 결합(t-J 모델) 접근법을 비교하는 것.
• $d_{x^2-y^2}$ 쌍성이 구리산염 유사 자기성과 무관하게 나이켈레이트 초전도체의 보편적 특성인지 확인하는 것.

제안 방법

• PBE-GGA 함수와 평면파 기저함수(600 eV 컷오프)를 사용한 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 NdNiO2의 전자 구조를 확보한다.
• 두 가지 타이트버드 모델 구축: 최소 단일 오비탈 모델(Ni $d_{x^2-y^2}$)과 Nd $d_{z^2}$ 및 $d_{xy}$ 오비탈을 포함한 삼오비탈 모델.
• RPA를 적용하여 두 모델 모두에서 반발력 상호작용에 기인한 초전도 불안정성을 연구한다.
• 강한 결합 한계에서 t-J 모델 유도: Ni $d_{x^2-y^2}$ 오비탈 간의 스핀 교환 상호작용 $J_1$(면내) 및 $J_2$(면외)를 포함한다.
• t-J 해밀토니안의 평균장 분해를 통해 $d_{x^2-y^2}$, $s$-파동, $d_{z^2}$-유사 쌍성 채널의 자성거동 방정식을 자성거동 방정식으로 풀이한다.
• Fermi-Dirac 분포 함수를 사용하여 $100\times100\times50$ k-메쉬에서 갭 방정식을 수치적으로 해결하고 초전도 갭 및 기저 상태 에너지를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 전자 모델에서 무한층 나이켈레이트에서 $d_{x^2-y^2}$-파동 쌍성이 지배적인 초전도 채널인지 여쭤보는 것?
• RQ2 Nd 4d 오비탈과의 혼성화가 나이켈레이트에서 $d_{x^2-y^2}$-파동 쌍성의 안정성에 미치는 영향은 무엇인가요?
• RQ3 Nd 4d 상태에서 기인하는 전자 포켓의 존재가 $d_{x^2-y^2}$-파동 쌍성 경향을 억압하거나 수정하는가요?
• RQ4 약한 결합(RPA) 및 강한 결합(t-J 모델) 처리 모두에서 $d_{x^2-y^2}$-파동 쌍성 대칭이 견고한가요?
• RQ5 니켈레이트 시스템에서 $d_{x^2-y^2}$-파동 갭을 최대화하기 위한 최적의 도핑 수준은 무엇인가요?

주요 결과

• 단일 오비탈 및 삼오비탈 타이트버드 모델 모두에서 RPA 분석이 일관되게 $d_{x^2-y^2}$-파동 쌍성을 지배적인 초전도 채널로 규명하였다.
• t-J 모델에서 $J_1 = J_2 > 0.05$일 때 $d_{x^2-y^2}$-파동 갭이 급격히 증가하여 강한 결합 영역에서 강한 쌍성 경향이 있음을 나타낸다.
• 공공도핑 0.1(즉, $n = 0.9$)일 때 $d_{x^2-y^2}$-파동 갭이 최대에 도달하며, 전자 도핑은 초전도성을 억제함을 보여준다.
• $n = 0.8$에 대한 3차원 갭 함수는 구형 피어미 표면에서 거의 영이 되는 갭을 보이며, RPA 결과 및 노드 행동과 일치한다.
• Nd 4d 전자 포켓의 포함은 $d_{x^2-y^2}$-파동 쌍성에 약한 영향을 미치며, 금속성 모체에 대한 저항성의 강건함을 시사한다.
• 기저 상태 에너지가 $J_1$ 증가함에 따라 감소함을 확인하여 t-J 모델에서 초전도 상태의 안정성을 확인한다.