[論文レビュー] Characterizing the superconducting instability in a two-orbital $d$-$s$ model: insights to infinite-layer nickelate superconductors

Jiang Mi|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、ダイナミッククラスターモンテカルロ法を用いて、無限層ニッケレートにおける超伝導不安定性における軌道間混合の役割を調査する2軌道$ d $-$ s $モデルを検討する。強い$ d $-$ s $混合は低ドーピングにおいて$ d $波対称性の超伝導を抑制するが、高ドーピングおよび大きな Hubbard $ U $ においては超伝導性を強化し、有限の$ s $軌道占有が超伝導の安定化に寄与することが示された。

ABSTRACT

Motivated by the recent realization of the infinite-layer nickelate superconductivity (SC), we quantitatively investigate a two-orbital $d$-$s$ model by dynamic cluster quantum Monte Carlo calculations. Focusing on the impact of inter-orbital hybridization on the superconducting properties, our simulations indicate that the $d$-$s$ hybridization strength has a decisive role in the suppression of the $d$-wave pairing in the doping regime relevant to infinite-layer nickelates. Although we confirm on the single-orbital description at weak hybridization, at relatively large hybridization, there exists a constructive effect of the non-negligibly finite $s$ orbital occupancy on inhibiting the suppression of the superconductivity. More strikingly, there exists a possible SC enhancement at large enough Hubbard interaction via large $d$-$s$ hybridization. We further provide some insights on the relevance of $d$-$s$ model to infinite-layer nickelates.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケレートにおける超伝導ペアリングに及ぼすNi-$ d_{x^2-y^2} $軌道と希土類元素$ 5d $軌道由来の$ s $軌道との軌道間混合の影響を理解すること。
• 有限の$ s $軌道占有が、混合によって引き起こされる$ d $波超伝導の抑制を相殺できるかどうかを特定すること。
• $ d $-$ s $混合が超伝導転移温度$ T_c $ をどのように強化できるかの条件を探索すること。
• 2軌道$ d $-$ s $モデルがニッケレート系における超伝導を記述する最小限のフレームワークとして妥当であるかを評価すること。
• 強相関電子系における混合および Hubbard 相互作用$ U $ を用いた$ T_c $ のチューニング可能性を検討すること。

提案手法

• 2軌道$ d $-$ s $ハミルトニアンを構築し、$ d $軌道をNi-$ 3d_{x^2-y^2} $に、$ s $軌道を希土類元素$ 5d $由来の間隙状態に模倣する。
• 最近接遷移（$ t_d=1 $、$ t_s=0.5 $）、軌道間混合$ V_k = -2V(\text{cos}k_x + \text{cos}k_y) $、および$ d $軌道上の局在的クーロン反発$ U $ を含む。
• 超伝導ペアリング感受率の計算および$ d $波ペアリング不安定性の解析に、ダイナミッククラスターモンテカルロ（DCQMC）法を用いる。
• 化学ポテンシャル$ μ $ を調整して標的の電子密度を達成し、$ s $軌道エネルギー$ ϵ_s $ を調整して、ドーピングなし状態で$ s $占有が約6–10%になるようにする。
• $ d $波固有ベクトルおよび反強磁性スピン感受率のマツバラ周波数依存性を比較し、ペアリングメカニズムを評価する。
• 混合強度$ V/t_d $ および Hubbard $ U $ を体系的に変化させることで、ドーピング領域全体にわたる$ T_c $ の傾向をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軌道間$ d $-$ s $混合は、2軌道$ d $-$ s $モデルにおける$ d $波超伝導ペアリング不安定性にどのように影響するか？
• RQ2 非零の混合における有限の$ s $軌道占有は、無限層ニッケレートに相当するドーピング領域において、超伝導性を強化するか、または抑制するか？
• RQ3 大きな$ d $-$ s $混合が、高ドーピングおよび大きな$ U $ において、非単調な$ T_c $ の増強を引き起こすか？
• RQ4 混合が存在する中で、スピンフラクチュエーションが$ d $波ペアリングを媒介する役割を果たすか？
• RQ5 希土類元素$ 5d $バンドの役割を考慮すると、2軌道$ d $-$ s $モデルが、超伝導ニッケレートを記述する有効な最小限の記述であると見なせる程度はどの程度か？

主な発見

• 軌道間$ d $-$ s $混合は低ドーピングで$ d $波超伝導を抑制するが、ドーピングが高くなるにつれて抑制効果は弱まる。
• 弱い混合（$ V/t_d = 0.1 $）では、$ s $軌道占有が無視できるほど小さいため、系は実質的に1つの$ d $軌道モデルに還元され、$ d $波ペアリングが保持される。
• 強い混合（$ V/t_d = 0.6 $）では、高ドーピングでも$ d $軌道に顕著な占有が残り、弱混合よりも$ T_c $ の抑制が小さくなる。
• $ V/t_d = 0.6 $ におけるわずかではあるが有限の$ s $軌道占有が、超伝導の抑制を緩和する建設的役割を果たしており、$ T_c $ の向上に寄与する可能性がある。
• 大きな Hubbard $ U $ においては、超伝導の最適$ U $ 値が、弱混合（$ V/t_d = 0.1 $）よりも強い混合（$ V/t_d = 0.6 $）においてより高い値にシフトする。これは、潜在的な強化経路を示唆している。
• $ d $波固有ベクトルと反強磁性スピン感受率の比較から、混合が存在する中でも$ d $軌道におけるスピンフラクチュエーション媒介ペアリングメカニズムが支持される。