[論文レビュー] High-$T_c$ superconductivity by mobilizing local spin singlets and possible route to higher $T_c$ in pressurized La$_3$Ni$_2$O$_7$

Qiong Qin, Y. Yang|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 54被引用数 10

ひとこと要約

本論文は最小の二層モデルに対して静的補助場モンテカルロ法を用い、局所的な d_z^2 の層間スピンシングレットを金属の d_x^2−y^2 バンドとの混成を介して動員することが超伝導を誘導し、混成度に対する Tc が非単調になることを示し、圧力下の La3Ni2O7 におけるより高い Tc へ向けた経路を示唆する。

ABSTRACT

We clarify the pairing mechanism of high-$T_c$ superconductivity in bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$ under high pressure by employing the static auxiliary field Monte Carlo approach to simulate a minimal effective model that contains local $d_{z^2}$ interlayer spin singlets and metallic $d_{x^2-y^2}$ bands. Superconductivity is induced when the local spin singlet pairs are mobilized and attain long-distance phase coherence by hybridization with the metallic bands. When projected onto realistic Fermi surfaces, it yields a nodeless $s$-wave gap on the $γ$ Fermi surface, and extended $s$-wave gaps of the same (opposite) sign on the $α$ ($β$) Fermi surface due to its bonding (antibonding) character, with nodes or gap minima along the diagonal direction of the two-dimensional Brillouin zone. We find a dual role of the hybridization that not only induces global phase coherence but also competes with the spin singlet formation. This lead to a tentative phase diagram where $T_c$ varies nonmonotonically with the hybridization, in good correspondence with experimental observations. A roughly linear relation is obtained for realistic hopping and hybridization parameters: $T_c\approx 0.04-0.05 J$, where $J$ is the interlayer superexchange interaction. We emphasize the peculiar tunability of the bilayer structure and propose that $T_c$ may be further enhanced by hole doping or applying uniaxial pressure along the $c$ axis on superconducting La$_3$Ni$_2$O$_7$. Our work provides reliable numerical evidence for the pairing mechanism of high-$T_c$ superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ and points out a potential route to achieve even higher $T_c$.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7 の二層系における高 Tc 超伝導のペアリング機構を高圧下で明らかにする。
• 局所 d_z^2 層間スピンシングレットの混成による動員がグローバルな位相整合と超伝導を生み出すことを実証する。
• ハイブリダイゼーション強度 V が対形成強度と位相整合に与える影響を定量化し、圧力下での実験 Tc 傾向と比較する。
• 実在的フェルミ面に適合する超伝導ギャップ構造を同定する。
• J、V、ドーピング、または一軸圧力の調整によって潜在的に高い Tc を得る道筋を提案する。

提案手法

• d_z^2 および d_x^2−y^2 軌道間の平面内混成 V と層間反強磁性超交換 J、最近傍の跳躍 t、化学ポテンシャル μ を含む最小の有効二層ハミルトニアンを構築する。
• Hubbard-Stratonovich 変換を用いて J S1i·S2i 项を分離し 局所的な層間スピンシングレット場 Δi を導入する。
• Δi に静的（時間に依存しない）近似を適用して符号問題を回避し、Δi の配置をモンテカルロでサンプリングできるようにする。
• フェルミオンを整合化して有効作用 S_eff(Δi) を計算し、Δi の熱的・空間的ゆらぎを調べる。
• p(Δ) 分布を用いた局所対形成を分析し、位相分布、位相相互情報、渦密度 dn_v/dT で位相整合を評価する。
• 三つの温度スケール Tc^I（位相整合の発生）、Tc^v（BKT 関連の渦の増殖）、および TΔ（局所スピンシングレットの発生）を同定する。
• Tc を J および V に関連付け、現実的なパラメータ範囲で Tc ≈ 0.04–0.05 J と見積もる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的な d_z^2 層間スピンシングレットが長距離の位相整合をどのように獲得してLa3Ni2O7の圧力下で超伝導を生み出すのか？
• RQ2 d_z^2 と d_x^2−y^2 バンド間の混成 V が超伝導を促進または抑制する役割は何か？
• RQ3 この機構に対して現実的なフェルミ面上で予想されるギャップ構造は何か？
• RQ4 モデルは実験で圧力下に観測される非単調な Tc(V) を再現できるか、さらに Tc を高めるルートは何か？

主な発見

• 動員された局所スピンシングレットが金属バンドとの混成を介して長距離の位相整合を獲得することで超伝導が生じる。
• 局所対形成の強さ（TΔ）は V の増加とともに低下し、スピンシングレット形成と混成の間に競合が生じることを示す。
• 位相整合（Tc^I, Tc^v）は V に対して増加し、その後減少して、圧力下の実験傾向に類似した非単調な Tc をもたらす。
• 現実的な t および V の値に対して Tc–J のほぼ直線関係 Tc ≈ 0.04–0.05 J を見つけ、J が大きいほど Tc が高くなることを示唆する。
• 予測されるギャップ構造: γ 面上は節なし s 波、α 面上は拡張 s 波、β 面上は符号が反対の拡張 s 波で、絶対値 V_k ∝ (cos kx − cos ky) により Brillouinゾーン対角線上に節/最小値が現れる。
• 位相図は最適な V の近傍で三つのスケールが収束することを示し、圧力下での実験的 Tc の挙動（Tc が約80 K に上昇した後減少）を再現する。
• 層間交換 J を増加させる（例: 軸方向圧力を用いる）または hole ドーピングで V を変更することにより、より高い Tc が得られる可能性を示唆する。