[논문 리뷰] 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 Qu외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 31.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 46인용 수 14

한 줄 요약

논문은 압력 하 La3Ni2O7에 대한 bilayer t-J-J_perp 모델을 도입하고 최첨단 텐서 네트워크 방법을 사용하여 강하게 간섭된 계층 간 자성 매개 s-파 초전도성을 확인한다. 대수적 쌍결 상관, 열역학 극한에서의 비제로 열역학적 SC 차수, 그리고 Tc 유사한 고온 스케일을 발견한다.

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$_7$.

연구 동기 및 목표

• 압력 하에서 La3Ni2O7의 초전도성 기전 탐구를 동기화하고 강결합 bilayer 모델의 타당성을 평가한다.
• 궤도 선택적 니켈 산물 물리학에서 유도된 bilayer t-J-J_perp 모델을 개발하고 분석한다.
• 계층 간 자기교환이 초전도 짝짓기를 매개하고 강화할 수 있는지 판단한다.
• 기저 상태의 짝짓기 대칭성 및 유한-온도 짝짓기 거동을 특성화한다.
• 기저 상태와 유한-온도 방법 간의 텐서 네트워크 결과를 비교하여 SC 순서의 강건성을 확립한다.

제안 방법

• 궤도 선택적 니켈 산물 그림에서 intralayer t와 J, interlayer J_perp를 가진 bilayer t-J-J_perp 모델을 구성하되 interlayer hopping t_perp는 제외한다.
• Finite-width 사다리 모형에 접근하기 위해 DMRG를 사용하고 짝짓기 상관 Phi_zz(r)와 Luttinger 파라미터 K_SC를 추출한다.
• 열역학 극한에서 비제로 초전도 차수를 얻고 bar{Delta}_z를 추정하기 위해 무한 투사 얽힘쌍 상태(iPEPS)를 사용한다.
• tanTRG(접선공간 텐서 renormalization group)를 적용해 유한-온도 특성을 연구하고 T_l 및 T_c^*를 결정한다.
• 결합 에너지 E_b, 짝짓기 센서(chì_SC), 밀도/스핀 상관관계를 계산해 짝짓기 기전을 진단한다.
• t_perp의 간섭 hopping과 전하/궤도 밀도 패턴이 SC와 CDW 경향에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 bilayer t-J-J_perp 모델이 interlayer(z 방향) 초전도 짝짓기를 매개하는 강한 간섭에 의해 강건한 짝짓기를 지지하는가?
• RQ2 열역학 극한에서 초전도 차수의 본질( s-wave )과 강도는 무엇인가?
• RQ3 finite-temperature 스케일 T_l 및 T_c^*은 J_perp 및 홀 밀도에 따라 어떻게 진화하며 자성 및 전하 플럭추에이션과 어떤 관계가 있는가?
• RQ4 CDW와 같은 상과의 경쟁에서 interlayer hopping t_perp의 역할은 무엇이며 짝짓기 억제에 어떤 영향을 주는가?
• RQ5 압력 하 La3Ni2O7의 물리가 magnetically mediated pairing이 있는 mixD bilayer 시스템으로 어떻게 매핑되는가?

주요 결과

• 강한 interlayer AF 교환 J_perp에 의해 bilayer t-J-J_perp 모듈에서 로드된 interlayer s-wave 초전도 차수가 견고하게 나타난다.
• DMRG는 대수적 짝짓기 상관관계와 Luttinger 파라미터 K_SC가 대략 1에 나타나 준장거리 SC 차Ano가 있음을 시사한다; iPEPS는 열역학 극한에서 비제로 SC 차수를 확인하고 J_perp = 4일 때 bar{Delta}_z가 약 0.16로 추정된다.
• 유한-온도 tanTRG는 T_l에서 SC 발현을 보여주고 T_c^* 아래에서 chi_SC의 대수적 발산이 약 1의 지수로 나타나며 T_l/J가 약 0.25–0.6, T_c^*/J가 약 0.12–0.25로 J_perp에 따라 달라진다.
• interlayer hopping t_perp에 의한 Pauli 차단으로 인해 SC가 억제될 수 있어 압력에 의한 interlayer 터널링이 실험에서 SC를 약화시킬 수 있음을 시사한다.
• 전하 밀도 파동 경향은 작은 J_perp 또는 다른 밀도에서 나타나며 CDW 경쟁이 SC 경계 및 La3Ni2O7의 주변 압력 거동과 연결된다.
• 짝짓기 기전은 magnetically mediated interlayer pairing으로 요약되며 mixD 초저온 원자 구현과 강한 Hund 상호작용이 d_x^2-y^2과 d_z^2 오비탈 사이의 연결을 지지한다.