[论文解读] Doped holes in NdNiO$_2$ and high-$T_c$ cuprates show little similarity

Mi Jiang, Mona Berciu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本文研究了掺孔的NdNiO₂，发现其在约15 K时表现出超导性，尽管Ni²⁺具有S=1，而S=1通常会抑制超导性。尽管强pd杂化导致形成类似于铜氧化物的单重态空穴态，但自旋交换相互作用的强度约为铜氧化物的十分之一，这排除了磁振子介导配对的可能性，暗示镍氧化物中存在一种独特且未知的配对机制。

ABSTRACT

Superconductivity with $T_c \approx 15K$ was recently found in doped NdNiO$_2$. The Ni$^{1+}$O$_2$ layers are expected to be Mott insulators so hole doping should produce Ni$^{2+}$ with $S=1$, incompatible with robust superconductivity. We show that the NiO$_2$ layers fall inside a ``critical'' region where the large $pd$ hybridization favors a singlet $^1\!A_1$ hole-doped state like in CuO$_2$. However, we find that the superexchange is about one order smaller than in cuprates, thus a magnon ``glue'' is very unlikely and another mechanism needs to be found.

研究动机与目标

• 理解NdNiO₂中超导性的起源，其Tc ≈ 15 K，尽管Ni²⁺具有S=1。
• 评估NdNiO₂的电子结构是否与高温超导铜氧化物相似，特别是在掺孔态方面。
• 评估自旋交换在NdNiO₂中的作用及其作为配对媒介机制的潜力。
• 确定镍氧化物中观测到的超导性是否能用与铜氧化物类似的机制来解释。

提出的方法

• 利用NiO₂层中的强关联效应和杂化效应分析NdNiO₂的电子结构。
• 模拟NdNiO₂中的掺孔态，重点关注pd杂化在稳定单重态（¹A₁）中的作用。
• 通过理论估算比较NdNiO₂与高温超导铜氧化物中自旋交换相互作用的强度。
• 通过量化自旋交换能标，评估磁振子介导配对的合理性。
• 利用对称性和多体理论评估S=1 Ni²⁺与强超导性的相容性。
• 对比镍氧化物中pd杂化的临界区域与铜氧化物中的行为，以识别关键差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 NdNiO₂中的掺孔是否会产生类似于铜氧化物CuO₂层中单重态的态？
• RQ2 NdNiO₂中的自旋交换强度与高温超导铜氧化物相比如何？
• RQ3 磁振子介导配对能否解释NdNiO₂中观测到的超导性？
• RQ4 为何NdNiO₂在存在S=1 Ni²⁺离子的情况下仍表现出超导性？
• RQ5 如果不是磁振子结合机制，镍氧化物中超导性的成因机制可能是什么？

主要发现

• 由于强pd杂化，NdNiO₂中的掺孔态为单重态¹A₁态，与高温超导铜氧化物中的态相似。
• NdNiO₂中的自旋交换相互作用强度约为铜氧化物的十分之一。
• 微弱的自旋交换使得磁振子介导配对极不可能，从而排除了与铜氧化物配对机制的直接类比。
• 尽管Ni²⁺具有S=1，但强杂化使系统稳定在单重态，从而实现超导性。
• NdNiO₂中观测到的超导性无法用传统的自旋交换结合机制解释，表明存在一种新颖的配对机制。
• NdNiO₂的电子结构位于一个杂化主导于磁关联的临界区域，导致其物理行为与铜氧化物有显著不同。