[論文レビュー] Flat bands promoted by Hund's rule coupling in the candidate double-layer high-temperature superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$

Yingying Cao, Yi‐feng Yang|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 35被引用数 13

ひとこと要約

著者らは高圧下の La$_3$Ni$_2$O$_7$ に対して DFT+DMFT 計算を実施し、Ni d 電子の双重的な itinerant/localized 特性、Hund による平坦帯、そして超伝導性の根拠となり得る strange-metal 振る舞いを明らかにした。強い反強磁性相関と cuprates へと連なる軌道選択的モット/コンド様物理を強調している。

ABSTRACT

We report strongly correlated electronic band structure calculations of the recently discovered double-layer high-temperature superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure. Our calculations reveal dual nature of Ni-$d$ electrons with almost localized $d_{z^2}$ orbitals due to onsite Coulomb repulsion and very flat hybridization bands of Ni-$d_{x^2-y^2}$ and Ni-$d_{z^2}$ quasiparticles near the Fermi energy. We find that the quasiparticle effective mass are greatly enhanced by the Hund's rule coupling and their lifetimes are inversely proportional to the temperature, which explains the experimentally observed strange metal behavior in the normal state. We also find strong antiferromagnetic spin correlations of Ni-$d$ electrons, which may provide the pairing force of quasiparticles for the high-temperature superconductivity. These give a potential explanation of two key observations in experiment and connect the superconducting La$_3$Ni$_2$O$_7$ with cuprate high-temperature superconductors. The presence of flat bands and the interplay of orbital-selective Mott, Hund, and Kondo physics make La$_3$Ni$_2$O$_7$ a unique platform for exploring rich emergent quantum many-body phenomena in the future.

研究の動機と目的

• 弱く相関のある DFT 的描像を超えた高圧下の La$_3$Ni$_2$O$_7$ の電子構造を調べる。
• Ni d 電子の双重な itinerant/localized 特性と Hund’s coupling の役割を特定する。
• 軌道選択的モット、コンド様、スピン揺らぎが超伝導性と strange metal 振る舞いにどう結びつくかを解明する。
• 高温超伝導と常態輸送の実験観測と結果を結びつける。
• この物質における emergent 多体現象に対する平坦帯の影響を探る。

提案手法

• 高圧下での軌道投影バンド構造を得るため、WIEN2k を用いた DFT 計算を実施する。
• Ni d 電子に対して U=5 eV, J=1 eV で DFT+DMFT を適用し、強い相関を捉える。
• DMFT 劼雲解法としてハイブリダイズ展開連続時間量子モンテカルロを用い、解析継続には最大エントロピー法を用いる。
• 自己エネルギーを抽出して準粒子リノーマライゼーション因子と帯の平坦化を得る。
• 局所スピン磁化率の静的挙動と Curie-Weiss 挙動を分析し、局所モーメントと磁気相互作用を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下の La$_3$Ni$_2$O$_7$ における Ni d 電子相関の性質は何か？
• RQ2 Hund の規則結合はフェルミエネルギー近傍の帯のリノーマライゼーションと平坦性にどう影響するか？
• RQ3 軌道選択的モット現象やコンド様過程は電子構造や潜在的なペアリング機構に役割を果たすか？
• RQ4 反強磁性スピン揺らぎはこの系における超伝導性と strange-metal 振る舞いを説明できるか？

主な発見

• Ni d$_{z^{2}}$ 電子はほぼ局在的な振る舞いを示し、フェルミエネルギー近傍に非常に平坦な準粒子帶を生じ、帯幅は約 0.2 eV となる。
• Hund の結合(J) は準粒子リノーマライゼーションを著しく高め、d$_{z^{2}}$ では Z^{-1} が J=0 で約 1.6–1.7 から J=1 eV で約 3.2 に増大し、d$_{x^{2}-y^{2}}$ にも影響を及ぼす。
• d$_{x^{2}-y^{2}}$ バンドは d$_{z^{2}}$ との混成によりフェルミエネルギー近傍で強くリノーマライズされ、平坦帯と大きな質量増大を生み出す。
• Self-energy の imaginary 部は両方の d 軌道で温度に線形な振る舞いを示し、strange-metal 的抵抗率と整合する。
• 静的局所スピン磁化率は Curie-Weiss 法に従い、巨視的な負の Weiss 温度 (~-300 K) を示し、Ni d$_{z^{2}}$ モーメント間の強い層間反強磁性相関を示唆する。
• 結果は、反強磁性スピン揺らぎによって駆動され、d$_{x^{2}-y^{2}}$ バンドとの混成を介して協同性を持つ超伝導機構を示唆し、La$_3$Ni$_2$O$_7$ を cuprates へ結び付ける。
• この研究は、軌道選択的モット、Hund、コンド様物理を、この材料における出現する量子現象の枠組みとして強調している。