[논문 리뷰] Superconductivity from Doping Symmetric Mass Generation Insulators: Application to La$_3$Ni$_2$O$_7$ under Pressure

Da-Chuan Lu, Miao Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 22.

Complex Systems and Time Series Analysis인용 수 11

한 줄 요약

본 논문은 대칭 질량 생성(SMG) 절연체를 이중층 니켈레이트 모델에 도핑시키면 높은 온도에서의 초전도성이 나타나고, BCS-BEC 크로스오버가 생기며, La$_3$Ni$_2$O$_7$를 압력하에서 이 프레임워크에 적용해 궤도 기여와 Tc 경향을 논의한다.

ABSTRACT

We investigate the bilayer nickelates as a platform to realize the symmetric mass generation (SMG) insulator, a featureless Mott insulator that arises due to the Lieb-Schultz-Mattis (LSM) anomaly cancellation in bilayer spin-1/2 lattice systems. Through a single-orbital bilayer square lattice model involving intralayer hopping $t$ and interlayer superexchange interaction $J$, we demonstrate the emergence of high-temperature superconductivity (SC) upon doping the SMG insulator. The SC phase features $s$-wave interlayer spin-singlet pairing and exhibits a crossover between the BCS and BEC limits by tuning the $J/t$ ratio. We estimate the SC transition temperature $T_c$ from both the weak and strong coupling limits at the mean-field level. Our findings offer insights into the experimentally observed decrease in $T_c$ with pressure and the strange metal behavior above $T_c$. Additionally, we propose that both Ni $3d_{z^2}$ and $3d_{x^2-y^2}$ orbitals can exhibit superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, but their $T_c$ should vary in opposite ways under doping. This characteristic difference suggests a potential experimental pathway to identify which electronic orbital plays the principal role in the formation of superconductivity in this system.

연구 동기 및 목표

• La$_3$Ni$_2$O$_7$를 압력하에서 SMG 절연체의 플랫폼으로 연구하고 도핑에 의한 초전도성을 촉진하는 동기를 제시한다.
• Ni-옥사이드 평면에 관련된 intralayer 이핑(hopping)과 interlayer 스핀 교환을 포착하는 최소 이중층 정방격자 모델을 도입한다.
• 대칭성과 anomaly 분석이 half-filling에서 특징 없는 SMG 절연 상태와 도핑에 의한 초전도화를 가능하게 하는지 설명한다.
• SMG 프레임워크를 Tc의 압력 의존성 및 가능 궤도 차원(d$_{z^2}$ vs d$_{x^2-y^2}$) 역할과의 연결고리를 실험 관측과 연결한다.

제안 방법

• 일층 간 상호작용 없이 intralayer 홉핑 t와 interlayer Heisenberg 결합 J를 갖는 최소 이중층 정방격자 해밀토니안 H를 구성한다.
• Cobordism 분류를 사용해 페르미면 Fermi surface anomaly를 분석하여 anomaly 소멸로 인해 SMG가 half-filling에서만 허용됨을 보인다.
• 약한 결합(BCS) 평균장 근사를 수행해 간극 방정식으로 Tc를 얻고 채움 ν에 대한 의존성을 검토한다.
• 강한 결합(BEC) 분석을 통해 Cooper-쌍 부분공간으로 투영하고 효과적인 쌍 점프 모형을 도출하며 Kosterlitz–Thouless 이론으로 Tc를 추정한다.
• 커뮤니케이션된 BCS-BEC 크로스오버 프레임워크를 제시해 결합 영역들 간 Tc를 보간하고 La$_3$Ni$_2$O$_7$의 압력에 따른 영향에 대한 시사점을 논의한다.

Figure 1: (a) The proposed bilayer square lattice model, featuring intralayer hopping $t$ and interlayer Heisenberg interaction $J$ . (b) Mean-field phase diagram, dominated by a single SC phase (blue) with $s$ -wave interlayer spin-singlet pairing, alongside Fermi gas (green), band insulator (purpl

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 SMG 절연체를 도핑하면 이중층 니켈레이트 맥락에서 초전도성을 낳을 수 있는가?
• RQ2 BCS-BEC 크로스오버를 따라 Tc가 J/t와 전자 채움 ν에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ3 Ni d$_{z^2}$와 d$_{x^2-y^2}$ 궤도가 서로 다른 도핑 의존성으로 초전도성에 기여하는가?
• RQ4 SMG 프레임워크가 압력에 따른 Tc 억제 및 Tc 이상에서의 이상금속(스트ange-metal) 거동을 설명하는가?
• RQ5 이 시스템에서 초전도성의 궤도 기원을 구분하는 실험적 신호는 무엇인가?

주요 결과

• half-filling에서 이중층 모델은 anomaly 취소에 의해 가능해진 특징 없는 Mott 상태인 SMG 절연체를 지지한다.
• SMG 절연체를 도핑하면 interlayer s-wave 스핀-싱글릿 쌍을 갖는 초전도성을 이끌어내며 J/t에 따라 BCS-BEC 크로스오버를 보인다.
• 약한 결합(BCS) 분석은 moderate J/t에서 ν≈1/2 근처에서 Tc를 산출하며 Tc는 DOS와 J에 비례한다.
• 강한 결합(BEC) 분석은 Tc가 Cooper-쌍 이동에 의해 좌우되며 J/t≈16/3에서 SMG와 SC 위상을 구분하는 QCP가 존재한다.
• Ni 궤도에 대한 Tc 추정: d$_{x^2-y^2}$ 전자(ν≈1/4, t≈0.48 eV, J≈0.66 eV, J/t≈1.4)에서 Tc≈79 K(BCS 구간); d$_{z^2}$ 전자(ν≈1/2, t≈0.1 eV, J≈0.66 eV, J/t≈6.6)에서 Tc 최대 약 78 K(BEC 구간), half-filling에서 SMG로 Tc 소멸.
• 프레임워크는 d$_{z^2}$와 d$_{x^2-y^2}$가 초전도성에 기여할 수 있지만 Tc의 도핑 의존성이 반대가 될 수 있음을 시사하며 주된 궤도 식별에 대한 경로를 제공한다.

Figure 2: (a) Lattice structure of the NiO 2 bilayer. (b) Interlayer hopping $t_{\perp}$ of $d_{z^{2}}$ electron through the Ni-O-Ni bond. (c) Intralayer hopping $t$ of $d_{x^{2}-y^{2}}$ electron trough the Ni-O-Ni bond.