[论文解读] Possible high $T_c$ Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under High Pressure through Manifestation of a Nearly-Half-Filled Bilayer Hubbard Model

Hirofumi Sakakibara, Naoya Kitamine+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2023

Iron-based superconductors research参考文献 79被引用 24

一句话总结

作者在高压下为 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 构建了一个四轨道模型，并表明即使与 $d_{x^2-y^2}$ 轨道耦合，来自双层 $d_{3z^2-r^2}$ 轨道的霍伯德分量也能产生高 $T_c$ 的 $s\<\circ>D\<\circ>D$-wave 超导性。

ABSTRACT

Inspired by a recent experiment showing that La$_3$Ni$_2$O$_7$ exhibits high $T_c$ superconductivity under high pressure, we theoretically revisit the possibility of superconductivity in this material. We find that superconductivity can take place which is essentially similar to that of the bilayer Hubbard model consisting of the Ni $3d_{3z^2-r^2}$ orbitals. Although the coupling with the $3d_{x^2-y^2}$ orbitals degrades superconductivity, $T_c$ can still be high enough to understand the experiment thanks to the very high $T_c$ reached in the bilayer Hubbard model.

研究动机与目标

• 通过在真实材料中利用双层霍伯德物理来追求更高的 Tc 的动机。
• 构建一 个在高压下的 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 的现实可行的四轨道模型（包括相关轨道耦合）。
• 使用自旋涨落介导的成对（FLEX）评估超导倾向并确定 Tc 相关量。
• 探讨轨道间耦合和带结构细节如何影响配对和 Tc。
• 提出材料设计途径以进一步提升该体系中的超导性。

提出的方法

• 使用 QUANTUM ESPRESSO 进行第一性原理带结构计算，以获得高压下的电子结构。
• 构建最大局部 Wannier 函数以导出一个四轨道低能模型（在一个晶胞内的两个 Ni 位点上有 d_{x^2−y^2} 与 d_{3z^2−r^2}。
• 在 on-site 相互作用 U、U'、J、J' 下，使用 fluctuation-exchange (FLEX) 近似求解该模型，取 U=3 eV，J=0.3 eV，U'=2.4 eV。
• 计算线性化 Eliashberg 方程以获得特征值 λ 作为 Tc 的代理（λ→1 即 Tc）。
• 通过比较将这些耦合关闭或改变的变体，分析轨道间耦合与杂化的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 高压下的 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 能否实现由 d_{3z^2−r^2} 轨道驱动的双层 Hubbard-样超导态？
• RQ2 轨道间相互作用与 d_{3z^2−r^2}–d_{x^2−y^2} 杂化如何影响超导配对与 Tc？
• RQ3 哪些参数变化（如 ΔE、t_perp）能提高该材料的 Tc？
• RQ4 该体系的超导缝隙是否为 s± 类型，以及它与双层模型的成键/反成键带的关系？
• RQ5 由 cRPA 推导的相互作用值是否支持预测的高 Tc 区域？

主要发现

• 在高压下，四轨道模型（在两个 Ni 位点上有 d_{x^2−y^2} 和 d_{3z^2−r^2}）能够保持强烈的自旋涨落介导的配对，在 n≥1.5 时 λ 较大，提示 Tc 处于类似铜系超导体的区间。
• 当 d_{3z^2−r^2} 权重显著时，超导缝隙较大，d_{3z^2−r^2} 能带的成键/反成键袋具有相反的缝隙符号，指示 s± 类态。
• 轨道间相互作用与杂化会降低 Tc，但单独的双层 d_{3z^2−r^2} 区已经能够提供与铜酸盐相当的高 λ，与在压力下观测到的 Tc≈80 K 兼容。
• 基于 cRPA 的相互作用参数得到的 λ 值接近原模型的结果，强化了此结论的鲁棒性。
• 通过电子掺杂或增大 ΔE 或 |t_perp| 可以提升 Tc，从而促使 self-doping 向 d_{3z^2−r^2} 轨道转移并将自旋涨落转移到更有利的能量。