[논문 리뷰] Superconductivity in a minimal two-band model for infinite-layer nickelates.

Peng Cheng, Hong‐Chen Jiang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 네다리 실린더에서 밀도행렬다른화그룹(DMRG)를 사용하여 초전도성의 최소 두밴드 Hubbard 모형에 대해 무한층 니켈레이트에서 초전도성을 조사한다. 12.5%의 구멍 도핑 조건에서 시스템은 니켈층에서 초전도성 및 전하 밀도 상관관계가 거듭제곱 법칙으로 펴지는 루스-에머리 액체 행동을 보이며, 비국소 초전도성의 실험적 관측과 일치한다.

ABSTRACT

While the recent discovery of superconductivity in infinite-layer nickelates has drawn considerable attention, a common ingredient of the fundamental building blocks to describe their ground states has been lacking. A series of experimental and theoretical studies have suggested that an effective two-band Hubbard model with Ni 3$d_{x^2-y^2}$ and rare-earth ($R$) 5$d$ character may describe the low-energy physics. Here, we study the ground state properties of this two-band model on four-leg cylinders using the density-matrix renormalization group (DMRG). At half-filling, the ground state of the system is consistent with a Luttinger liquid, possessing quasi-long-range charge and spin correlations in the $R$ layer, but short-range correlations in the Ni layer. At a hole doping concentration of $\delta=12.5\%$, the $R$ layer is nearly empty and the ground state of the system is consistent with a Luther-Emery liquid, where we find power-law superconducting and charge density correlations in the Ni layer, but exponentially decaying spin correlations. The consistency of our results with experimental observations may help to reveal the microscopic mechanism for pairing in these nickelates and other unconventional superconductors.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈레이트의 저에너지 물리학을 묘사하는 최소 효과 모형을 규명하기 위해.
• 니켈 3d 및 희토류 5d 궤도 성질을 가진 두밴드 시스템에서 초전도성의 기원을 조사하기 위해.
• 수치적으로 정확한 DMRG 시뮬레이션을 통해 구멍 도핑 조건에서의 고체 상태 성질을 규명하기 위해.
• 이론적 결과를 니켈레이트에서의 초전도성 실험 관측과 연결하기 위해.

제안 방법

• 니켈 3d_{x^2-y^2} 및 희토류 5d 궤도 자유도를 포함하는 두밴드 Hubbard 모형을 수립한다.
• 네다리 실린더 격자에서 밀도행렬다른화그룹(DMRG)을 사용하여 모형을 수치적으로 해결한다.
• 상관관계 함수를 통해 고체 상태 성질을 분석한다: 전하, 스핀, 초전도 상관관계.
• 반완전 충전 상태와 12.5%의 구멍 도핑 조건에서 시스템을 연구하여 상전이 및 쌍화 경향을 탐색한다.
• 상관관계 감쇠 행동(거듭제곱 법칙 대 지수 감쇠)을 사용하여 고체 상태를 루팅거 또는 루스-에머리 액체로 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반완전 충전 조건에서 최소 두밴드 모형이 무한층 니켈레이트의 고체 상태 성질은 어떠한가?
• RQ2 구멍 도핑은 니켈층에서 초전도성 및 전하 밀도 상관관계의 기원에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 12.5%의 구멍 도핑 조건에서 시스템은 거듭제곱 법칙 초전도 상관관계에 의해 나타나는 루스-에머리 액체 행동을 보이는가?
• RQ4 예측된 상관관계 행동은 니켈레이트에서의 초전도성 실험 관측과 일치하는가?
• RQ5 희토류 5d 궤도는 초전도 쌍화를 매개하거나 안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 반완전 충전 조건에서 시스템은 루팅거 액체 행동을 보이며, 희토류 층에서는 준장거리 전하 및 스핀 상관관계를 가지지만, 니켈 층에서는 단거리 상관관계를 보인다.
• 12.5%의 구멍 도핑 조건에서 고체 상태는 루스-에머리 액체와 일치하며, 니켈 층에서 거듭제곱 법칙 초전도성 및 전하 밀도 상관관계가 특징이다.
• 12.5% 도핑 조건에서 스핀 상관관계는 니켈 층에서 지수 감쇠하며, 스핀 갭 형성이 나타난다.
• 12.5% 도핑 조건에서 희토류 층은 거의 빈 상태가 되어, 스핀 자유도가 니켈 층에서 분리됨을 시사한다.
• 니켈 층에서 관측된 거듭제곱 법칙 초전도 상관관계는 니켈레이트에서의 초전도성 실험 보고와 일치한다.