[논문 리뷰] The s$^\pm$-Wave Pairing and the Destructive Role of Apical-Oxygen Deficiencies in La$_3$Ni$_2$O$_7$ Under Pressure

Yubo Liu, Jia‐Wei Mei외 3명|PubMed|2023. 07. 19.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 19인용 수 20

한 줄 요약

논문은 압력 하에서 La3Ni2O7에서의 s±-파워링을 다궤도 RPA(결함에 대한 실공간 RPA 포함)를 사용해 보여주며, 감마 포켓이 중첩에 필수적이고, 탑성 산소 결핍이 국소 모멘트를 유도하여 Tc를 억제한다는 점을 보여준다.

ABSTRACT

Recently, the bilayer perovskite nickelate La_{3}Ni_{2}O_{7} has been reported to show evidence of high-temperature superconductivity (SC) under a moderate pressure of about 14 GPa. To investigate the superconducting mechanism, pairing symmetry, and the role of apical-oxygen deficiencies in this material, we perform a random-phase approximation based study on a bilayer model consisting of the d_{x^{2}-y^{2}} and d_{3z^{2}-r^{2}} orbitals of Ni atoms in both the pristine crystal and the crystal with apical-oxygen deficiencies. Our analysis reveals an s^{±}-wave pairing symmetry driven by spin fluctuations. The crucial role of pressure lies in that it induces the emergence of the γ pocket, which is involved in the strongest Fermi-surface nesting. We further found the emergence of local moments in the vicinity of apical-oxygen deficiencies, which significantly suppresses the T_{c}. Therefore, it is possible to significantly enhance the T_{c} by eliminating oxygen deficiencies during the synthesis of the samples.

연구 동기 및 목표

• 압력을 가한 La3Ni2O7의 짝짓기 메커니즘과 대칭성을 규명한다.
• 페르미 면의 중첩과 감마 포켓을 통해 압력이 초전도성을 어떻게 가능하게 하는지 파악한다.
• 탑산소 결핍이 Tc와 초전도성에 미치는 영향을 평가한다.
• 이중층 니켈산염에서 짝짓기에 지배적으로 관여하는 오비탈 기여를 설명한다.

제안 방법

• DFT로부터 이중층 두 오비탈 (d_x2−y2, d3z2−r2) tight-binding 모델을 구성한다.
• 다궤도 RPA를 적용하여 보정된 스핀 및 전하 감수성을 얻는다.
• 선형화된 갭 방정식과 가장 큰 고유값 λ를 통해 주도적 짝짓기 채널을 식별한다.
• 탑산소 결핍이 임의로 분포된 시스템을 연구하기 위해 실공간 RPA를 사용한다.
• 압력에 따른 γ-포켓의 등장과 이로 인한 페르미 표면 중첩 및 짝짓기를 분석한다.
• 짝짓기 대칭을 페르미 표면 포켓의 부호 구조와 연관시키다 (s±).

Figure 1: (Color online) (a) Band structure along the high symmetry lines. (b) FS in the first Brillouin zone. The three pockets are labeled by $\alpha,\beta$ and $\gamma$ , respectively. The colors in (a) and (b) indicate the orbital component.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적당한 압력에서 La3Ni2O7의 짝짓기 메커니즘과 결과 대칭성은 무엇인가?
• RQ2 압력으로 유도된 γ-포켓이 페르미 표면 중첩과 Tc에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 탑산소 결핍이 자기 요동과초전도성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이중층 니켈산염에서 초전도 짝짓기에 지배적인 오비탈 기여는 무엇인가?

주요 결과

• 원래 결정에서 스핀 요동에 의해 s±-파형 대칭이 선호된다.
• 감마-포켓은 압력 하에서 나타나 가장 강한 페르미 면 중첩에 참여하여 초전도성을 증가시킨다.
• 지배적인 짝짓기는 층간 d3z2−r2 오비탈을 포함하며, 상당한 오비탈 기여가 갭 구조를 결정한다.
• α 및 γ 포켓의 초전도 갭은 β 포켓과 부호가 반대이며, 이는 s± 짝짓기와 일치한다.
• 탑산소 결핍은 국소 자기 모멘트를 유발하여 Tc를 억제하고, Uc^(s)을 낮추며 실제 δ에서 일반적인 U일 때 초전도성을 파괴할 수 있다.
• 실공간 RPA는 결핍 농도 δ가 증가함에 따라 Tc 억제가 커짐을 보여주며, 선택된 U = 1.16 eV에서 약 3% δ를 넘으면 Tc가 거의 사라진다.

Figure 2: (Color online) (a) The distribution of the largest eigenvalue $\chi(\mathbf{q})$ of the RPA-renormalized spin susceptibility matrix in the Brillouin zone. This distribution peaks at three unequivalent momenta, which are marked as $\mathbf{Q}_{1}$ , $\mathbf{Q}_{2}$ , and $\mathbf{Q}_{3}$ r