[論文レビュー] Orbital-selective Superconductivity in the Pressurized Bilayer Nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$: An Infinite Projected Entangled-Pair State Study

Jialin Chen, Fan Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Iron-based superconductors research参考文献 73被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、圧力下の二重層ニッケレートLa₃Ni₂O₇における軌道選択的超伝導のメカニズムを、無限大の投影エンタングルペア状態（iPEPS）シミュレーションを用いて調査した。$d_{x^2-y^2}$軌道が層間$J_\perp$結合を通じて強固な$s$-波超伝導秩序を駆動するのに対し、$d_{z^2}$軌道は僅かなペアリングしか示さない。また、LaをPmやSmに置換することで超伝導性が向上し、より高い$T_c$を有するニッケレートへの道筋が示唆された。

ABSTRACT

The newly discovered high-$T_c$ nickelate superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$ has generated significant research interest. To uncover the pairing mechanism, it is essential to investigate the intriguing interplay between the two $e_g$, i.e., $d_{x^2-y^2}$ and $d_{z^2}$ orbitals. Here we perform an infinite projected entangled-pair state (iPEPS) study of the bilayer $t$-$J$ model, directly in the thermodynamic limit and with orbitally selective parameters for $d_{x^2-y^2}$ and $d_{z^2}$ orbitals, respectively. The $d_{x^2-y^2}$ electrons exhibit significant intralayer hopping $t_\parallel$ and spin couplings $J_\parallel$, with interlayer $J_\perp$ passed from the $d_{z^2}$ electrons. However, the interlayer $t_\perp$ is negligible in this case. In contrast, the $d_{z^2}$ orbital demonstrates strong interlayer $t_\perp$ and $J_\perp$, while the inherent intralayer $t_\parallel$ and $J_\parallel$ are small. Based on the iPEPS results, we find clear orbital-selective behaviors in La$_3$Ni$_2$O$_7$. The $d_{x^2-y^2}$ orbitals exhibit robust superconductive (SC) order driven by the interlayer coupling $J_\perp$; while the $d_{z^2}$ band shows relatively weak SC order as a result of small $t_\parallel$ (lack of coherence) but large $t_\perp$ (strong Pauli blocking). Furthermore, by substituting rare-earth element Pm or Sm with La, we find an enhanced SC order, which opens up a promising avenue for discovering nickelate superconductors with even higher $T_c$.

研究の動機と目的

• 二重層ニッケレートLa₃Ni₂O₇における超伝導性を支配する$e_g$軌道（$d_{x^2-y^2}$対$d_{z^2}$）の特定に関する議論を解消すること。
• 強い電子相関および層間結合を伴う状況下における軌道選択的超伝導ペアリングメカニズムを調査すること。
• 希土類元素置換（La → Pm, Sm）が超伝導秩序パラメータおよび$T_c$に与える影響を評価すること。
• iPEPSを用いて2次元無限格子における超伝導秩序を熱力学的に正確に直接計算し、準1次元DMRG手法を超えることを目的とする。

提案手法

• 熱力学的極限における二重層$t$-$J$モデルをシミュレートするため、フェルミオン的無限大投影エンタングルペア状態（iPEPS）法の適用。
• iPEPSテンソルネットワークの効率的かつ高精度な最適化のため、単純更新およびフル更新アルゴリズムの両方の使用。
• 軌道選択的パrameterの導入：$d_{x^2-y^2}$には$t_{\parallel}, J_{\parallel}$、$d_{z^2}$には$t_{\perp}, J_{\perp}$を設定し、$d_{x^2-y^2}$では$t_{\perp} \approx 0$とする。
• 希土類元素置換されたR₃Ni₂O₇（R = La, Pm, Sm）のDFTから得られたパラメータを組み込み、$J = 4t^2/U$のスピン交換相互作用を含む。
• 精度向上のため、超伝導秩序パラメータを無限大の結合次元（$D \to \infty$）に外挿する。
• テンソルネットワーク構築におけるフェルミ統計の強制のため、スワップゲート$S$の導入。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力下のLa₃Ni₂O₇において、超伝導ペアリングを支配するのはどの$e_g$軌道（$d_{x^2-y^2}$対$d_{z^2}$）か？
• RQ2 $d_{z^2}$軌道に起因する層間結合$J_\perp$は、$d_{x^2-y^2}$軌道における超伝導性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Pm やSm などの重い希土類元素にLaを置換することで、超伝導秩序パラメータおよび$T_c$は向上するか？
• RQ4 軌道混合および層間遷移が$s$-波ペアリングの強さを決定する役割を果たすか？

主な発見

• $d_{x^2-y^2}$軌道は層間$J_\perp$によって強固な$s$-波超伝導秩序を示すが、$d_{z^2}$軌道は人工的な$t_{\parallel}$を導入しても僅かなペアリングにとどまる。
• 電子密度$n_e = 0.6$における$T_c$の上昇に伴い、$d_{x^2-y^2}$軌道の超伝導秩序パラメータ$\Delta_z$はLaからPmおよびSmに置換するに従い増加する。
• 置換による$T_c$の上昇は、主に希土類ドーピングに伴い層間反強磁性結合$J_\perp$が増加するためである。
• 混合D（mixD）二重層構造では、$d_{x^2-y^2}$軌道が強い$J_\perp$を有するが$t_{\perp}$は無視できるほど小さいため、従来の二重層構造よりも強い超伝導性を示す。
• 結果は、ハンズ結合が$d_{z^2}$から$d_{x^2-y^2}$への$J_\perp$伝達を可能にし、$d_{x^2-y^2}$を主超伝導チャネルとする強相関系の図式を支持する。
• 本研究は、弱相関および強相関理論の間で対立する見解を解消し、La₃Ni₂O₇において$d_{x^2-y^2}$駆動型超伝導が支配的であることを確認した。