[논문 리뷰] Surface $s$-wave superconductivity for oxide-terminated infinite-layer nickelates

Xianxin Wu, Kun Jiang외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 13.

Advanced Mathematical Modeling in Engineering인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 산화물 종단 무한층 니켈산화물이 굽은 NiO₂ 층과 구멍 도핑된 $d_{xy}$ 및 $d_{xz/yz}$ 오비탈에 기인한 증가된 피에르 표면 피팅으로 인해 표면 $s$-파 초전도성을 나타냄을 밝혀내며, 이는 주로 $s_{\pm}$-파 쌍성 상태를 형성함을 의미한다. 표면의 쌍성 대칭은 부피의 $d$-파 상태와 다름을 보이며, 종단에 따라 달라지는 전자 구조와 조지프슨 결합을 통해 STM 실험에서 관측된 혼합 $s$- 및 $d$-파 갭 서명을 설명한다.

ABSTRACT

We analyze the electronic structure of different surface terminations for infinite-layer nickelates. Surface NiO$_2$ layers are found to be buckled, in contrast to planar bulk layers. While the rare-earth terminated surface fermiology is similar to the bulk limit of the nickelates, the NiO$_2$ terminated surface band structure is significantly altered, originating from the effect of absence of rare-earth atoms on the crystal field splitting. Contrary to the bulk Fermi surfaces, there are two Ni-$3d$ Fermi pockets, giving rise to enhanced spectral weight around the $\bar{ ext{M}}$ point in the surface Brillouin zone. From a strong-coupling analysis, we obtain dominant extended $s$-wave superconductivity for the surface layer, as opposed to $d$-wave for the bulk. This finding distinguishes the nickelates from isostructural cuprates, where the analogous surface pairing mechanism is less pronounced. Our results are consistent with region-dependent gap structures revealed in recent STM measurements and provide an ansatz to interpret experimental data of surface-sensitive measurements on the infinite-layer nickelates.

연구 동기 및 목표

• 무한층 니켈산화물의 다양한 표면 종단에서의 전자 구조와 초전도성 쌍성 대칭을 조사하기 위해.
• 부피의 $d$-파 초전도성과 표면에서 관측된 혼합 $s$- 및 $d$-파 갭 서명 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 표면 종단(Nd 대 NiO₂)이 결정장 분리, 피에르 표면 위상도, 초전도성 쌍성 대칭에 어떻게 영향을 주는지 규명하기 위해.
• 표면 민감도 분광법 데이터(STM 및 ARPES 포함)를 해석하기 위한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 두 번째 순서 조지프슨 결합을 통한 시간역전대칭 위반 $s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$ 쌍성의 기원을 설명하기 위해.

제안 방법

• Nd 종단 및 NiO₂ 종단 표면의 전자 구조를 모델링하기 위한 백터리얼 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 표면 굽힘과 오비탈 혼성 효과 분석, 특히 NiO₂ 종단 표면에서 희토류 원소의 부재를 고려.
• 표면층의 초전도성 쌍성 대칭을 평가하기 위한 $t$-$J$ 모델 기반 강결합 분석.
• 표면과 부피의 NiO₂ 층 간의 혼성 효과를 통합하여 전체 시스템의 초전도 상태를 모델링.
• 표면 및 부피 초전도 상태 간의 조지프슨 결합을 계산하여 기대되는 쌍성 대칭을 규명.
• 실험적 STM 데이터와 비교하기 위해 최종 밀도 상태(DOS) 및 갭 구조를 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 종단(Nd 대 NiO₂)이 무한층 니켈산화물의 결정장 분리와 오비탈 에너지 준위에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ2 NiO₂ 종단 표면에서의 피에르 표면 위상도는 무엇이며, 부피와 어떻게 다를까?
• RQ3 왜 표면은 $s$-파 초전도성을 보이는 반면 부피는 $d$-파 쌍성에 기여하는가?
• RQ4 표면과 부피 초전도 상태 간의 결합이 어떻게 혼합 $s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$ 쌍성 상태를 이끌어내는가?
• RQ5 STM 측정에서 관측된 혼합 $s$- 및 $d$-파 갭 서명이 표면 종단 의존성 쌍성 대칭으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• NiO₂ 종단 표면은 부피의 평평한 NiO₂ 층과는 다름을 보이는 굽은 구조를 가진다.
• NiO₂ 종단 표면에서 희토류 원소의 부재는 결정장 분리를 크게 변화시키며, $d_{xz/yz}$ 및 $d_{xy}$ 오비탈 준위를 높인다.
• NiO₂ 종단 표면은 두 개의 구분되는 피에르 포켓을 형성한다: $\bar{\Gamma}$ 근처의 구멍 포켓과 $\bar{\text{M}}$ 근처의 전자 포켓.
• 두 포켓 피에르 표면 위상도는 표면층에서 주로 $s_{\pm}$-파 초전도성을 지배하며, 이는 부피의 $d$-파 쌍성과 대비된다.
• 표면의 $s_{\pm}$-파와 부피의 $d$-파 상태 간의 두 번째 순서 조지프슨 결합은 시간역전대칭 위반 $s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$ 쌍성 상태를 이끈다.
• 계산된 밀도 상태는 V자형 갭과 다중 갭 특징을 보이며, 최근의 STM 측정에서 관측된 지역 의존 갭 구조와 일치한다.