[논문 리뷰] Superconductivity and Antiferromagnetism in NdNiO$_2$ and CaCuO$_2$: A Cluster DMFT Study

Jonathan Karp, Alexander Hampel외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 25.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Nambu 스피너를 사용한 2×2 실공간 클러스터 동역학적 평균장 이론(DMFT)을 활용하여 NdNiO₂와 CaCuO₂에서 초전도성과 반자성 질서를 동시에 모델링한다. 두 물질 모두 유사한 정공 도핑에서 컵레이트 유사 초전도성의 특성을 보이며, 저도핑에서는 반자성으로 둘러싸인 초전도 도메인을 형성하고 고도핑에서는 Tc가 억제되는 경향을 보이며, 니켈산염 초전도성은 기본적으로 컵레이트 물리와 유사하다는 주장을 뒷받침한다.

ABSTRACT

We perform a comparative $2 imes 2$ real space cluster DMFT study on minimal models for NdNiO$_2$ and CaCuO$_2$ obtained from downfolding DFT states, using a Nambu formalism that allows for both superconducting and antiferromagnetic order. We produce a phase diagram in temperature and doping. We find that for the nickelate, like the cuprate, the stoichiometric compound is antiferromagnetic. We find superconductivity in a doping range bounded, with a small coexistence region, by the onset of antiferromagnetism at low doping and with transition temperature becoming immeasurably small at high doping. Superconductivity emerges at around the same hole doping for both compounds, but requires a larger deviation from half filling for the nickelate. Both antiferromagnetic and superconducting order lead to a partial gapping of the $d_{x^2-y^2}$ Fermi surface sheet. Our similar results for the cuprate and nickelate suggest that nickelate superconductivity is cupratelike. We compare our results to the experimental phase diagram.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈산염 NdNiO₂에서의 초전도성은 CaCuO₂와 같은 컵레이트와 본질적으로 유사한가를 조사하는 것.
• Nd에서 기인한 오비탈과 궤도 혼성화가 전자 구조 및 초전도성 쌍성에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 니켈산염에서 다수의 오비탈과 상호작용 효과의 중요성을 두고 갈등하는 이론적 해석을 해결하는 것.
• 이론적 예측을 두 니켈산염 및 컵레이트의 실험적 상도도와 비교하는 것.
• 강한 궤도 혼성화와 경쟁 질서가 존재하는 시스템에서 DFT+DMFT의 이중세기 보정의 타당성을 평가하는 것.

제안 방법

• DFT 내림내림으로 유도된 최소 모델을 바탕으로, NdNiO₂와 CaCuO₂에 대해 2×2 실공간 클러스터 DMFT 계산을 수행한다.
• 동일한 계산에서 초전도성과 반자성 질서 파라미터를 동시에 다룰 수 있도록 Nambu 형식을 사용한다.
• 자기상호작용 효과를 보정하기 위해 DFT 또는 DMFT 밀도를 사용한 이중세기 보정을 적용한다.
• 3오비탈 모델((Ni-dx²−y², dxy, dz²)과 7오비탈 모델(Nd-dz² 및 dxy 오비탈 포함)을 사용하여 결과의 강인성 테스트를 수행한다.
• 이상적 자기에너지 및 질서 파라미터를 계산하여 d-파일드 초전도성 및 반자성 상을 식별한다.
• 다양한 이중세기 보정 방법과 오비탈 모델 크기 간의 결과를 비교하여 수치적 안정성과 물리적 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NdNiO₂에서의 초전도성은 CaCuO₂와 유사한 도핑 수준에서 나타나는가? 이는 컵레이트 유사 물리의 존재를 시사하는가?
• RQ2 Nd에서 기인한 오비탈과 Ni-d 오비탈과의 혼성화는 초전도성 및 반자성 상의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 NdNiO₂에서의 초전도 도메인은 컵레이트에서 관찰된 것처럼 저도핑에서 반자성 질서에 의해 둘러싸여 있는가?
• RQ4 dx²−y² 이외의 궤도 자유도가 니켈산염의 상호작용 물리에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 강한 상호작용 및 다오비탈 시스템에서 DFT+DMFT의 이중세기 보정 선택에 따라 결과는 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 스티히오메트릭한 NdNiO₂는 실험적으로 1.7 K까지 장거리 반자성 질서가 관측되지 않음에도 불구하고, 그 컵레이트 유사체인 CaCuO₂와 마찬가지로 반자성임을 확인하였다.
• Both NdNiO₂ and CaCuO₂에서 정공 도핑 x ≈ 0.12 수준에서 초전도성이 나타나며, 저도핑에서는 반자성이 초전도 도메인을 둘러싸는 경향을 보인다.
• 도핑 농도가 증가함에 따라 전이 온도 Tc가 감소하여 고도핑에서는 측정 불가능한 수준에 이르게 되며, 이는 실험 관측과 일치한다.
• 반자성 및 초전도성 질서 모두 dx²−y² 피어미 표면 시트의 부분적인 갭 형성으로 이어지며, 이는 동일한 전자적 반응을 나타낸다.
• 7밴드 모델에서 추가 오비탈(Nd-dz² 및 dxy)을 포함시켜도 이론적 이상 자기에너지에 질적인 변화가 없으며, d-파일드 쌍성 메커니즘의 강인성을 뒷받침한다.
• 이중세기 보정의 선택은 이상 자기에너지에 미미한 정량적 영향을 미치지만, 질적 상 경계에는 영향을 주지 않으며, 이는 방법론적 접근의 타당성을 검증한다.