[论文解读] Bilayer $t$-$J$-$J_\perp$ Model and Magnetically Mediated Pairing in the Pressurized Nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$

Xing-Zhou Qu, Dai-Wei Qu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 46被引用 14

一句话总结

该论文提出了一个用于 La3Ni2O7 在压力下的双层 t-J-J_perp 模型，并使用最前沿的张量网络方法显示出稳定的层间磁性介导的 s 波超导性。它发现代数配对相关性，在热力学极限下存在非零的热力学 SC 有序，以及接近高 Tc 的温标。

ABSTRACT

The recently discovered nickelate superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$ has a high transition temperature near 80 K under pressure, which offers additional avenues of unconventional superconductivity. Here with state-of-the-art tensor-network methods, we study a bilayer $t$-$J$-$J_\perp$ model for La$_3$Ni$_2$O$_7$ and find a robust $s$-wave superconductive (SC) order mediated by interlayer magnetic couplings. Large-scale density matrix renormalization group calculations find algebraic pairing correlations with Luttinger parameter of $K_{ m SC} \simeq 1$. Infinite projected entangled-pair state method obtains a nonzero SC order directly in the thermodynamic limit, and estimates a strong pairing strength $\barΔ_z \sim \mathcal{O}(0.1)$. Tangent-space tensor renormalization group simulations further determine a high SC temperature $T_c^*/J \sim \mathcal{O}(0.1)$ and clarify the temperature evolution of SC order. Because of the intriguing orbital selective behaviors and strong Hund's rule coupling in the compound, $t$-$J$-$J_\perp$ model has strong interlayer spin exchange (while negligible interlayer hopping), which greatly enhances the SC pairing in the bilayer system. Such a magnetically mediated strong pairing has also been observed recently in the optical lattice of ultracold atoms. Our accurate and comprehensive tensor-network calculations reveal robust SC order in the bilayer $t$-$J$-$J_\perp$ model and shed light on the high-$T_c$ superconductivity in the pressurized nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$.

研究动机与目标

• 动机：在受压的 La3Ni2O7 中寻找超导机制，并评估一个强耦合的双层模型。
• 构建并分析源于轨道选择性镍酸盐物理的双层 t-J-J_perp 模型。
• 确定层间磁性交换是否能介导并增强超导配对。
• 表征基态配对对称性以及有限温度下的配对行为。
• 在基态和有限温度方法之间比较张量网络结果，以确立超导有序的鲁棒性。

提出的方法

• 从轨道选择性镍酸盐的图景出发构建双层 t-J-J_perp 模型，包含层内的 t 和 J，以及层间的 J_perp，排除层间跳跃 t_perp。
• 使用 DMRG 来访问有限宽度的梯形格子，提取配对相关性 Phi_zz(r) 和 Luttinger 参数 K_SC。
• 采用无限投影纠缠对态（iPEPS）在热力学极限获得非零的超导序，以及估计 bar{Delta}_z。
• 应用切空间张量重正化群（tanTRG）研究有限温度性质并确定 T_l 和 T_c^*。
• 计算结合能 E_b、配对易度 chi_SC，以及密度/自旋关联函数以诊断配对机制。
• 分析层间跃迁 t_perp 和电荷/轨道密度模式对超导与 CDW 趋势的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 双层 t-J-J_perp 模型是否在层间（z 方向）受到层间磁性交换介导的强健超导配对？
• RQ2 在热力学极限下，超导序参数的性质（s 波）及其强度是多少？
• RQ3 有限温度尺度 T_l 与 T_c^* 如何随 J_perp 和空穴密度演化，它们与磁性与电荷涨落有何关系？
• RQ4 层间跃迁 t_perp 在 CDW 等竞争相或抑制配对中的作用是什么？
• RQ5 在压力下的 La3Ni2O7 的物理如何映射到具有磁性介导配对的 mixD 双层系统？

主要发现

• 在由层间反铁磁交换 J_perp 驱动的双层 t-J-J_perp 模型中，出现稳健的层间 s 波超导序。
• DMRG 表明代数配对相关性，鲁廷格参数 K_SC 似乎 为 1，指示准长程（准长程）SC 有序；iPEPS 在热力学极限下确认非零的 SC 有序，当 J_perp = 4 时 bar{Delta}_z < 0.16。
• 有限温度 tanTRG 显示 SC 在 T_l 处展开，在 T_c^* 以下 χ_SC 代数发散，指数约为 1，且 T_l/J ~ 0.25–0.6，T_c^*/J ~ 0.12–0.25，取决于 J_perp。
• 层间配对被 J_perp 强烈增强，但通过 Pauli 禁阻被层间跃迁 t_perp 弱化，暗示实验中压强诱导的层间隧穿可能抑制 SC。
• 在较小的 J_perp 或不同密度下出现电荷密度波倾向，将 CDW 竞争与 SC 相边界以及 La3Ni2O7 在常压行为联系起来。
• 配对机制被框架为磁性介导的层间配对，与 mixD 超冷原子实现相关，并得到强 Hund 结合在 d_x^2-y^2 与 d_z^2 轨道之间的桥接的支持。