[논문 리뷰] Possible $S_\pm$-wave superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$

Qing-Geng Yang, Da Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 06.

High-pressure geophysics and materials인용 수 10

한 줄 요약

본 논문은 압력 하의 La3Ni2O7에 대한 이층 이중 궤도 허부드 모델을 분석하고, 스핀 진동에 의해 구동되는 가능한 S±-wave 초전도성을 FRG 및 강결합 분석으로 뒷받침한다.

ABSTRACT

Recently, the bulk nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ is reported to show signature of high-temperature superconductivity under high pressure above $14$GPa [H. Sun et al., Nature 621, 493 (2023)]. We analyze the pairing mechanism and pairing symmetry in a bilayer Hubbard model with two orbitals in the $E_g$ multiplet. In the weak to moderate interaction regime, our functional renormalization group (FRG) calculations yield $S_\pm$-wave Cooper pairing triggered by leading spin fluctuations. The gap function changes sign across the Fermi pockets, and in real space the pairing is dominated by intra-unitcell intra-orbital components with antiphase between the onsite ones. In the strong coupling limit, we develop a low-energy effective theory in terms of atomic one- and two-electron states in the $E_g$ multiplet. The variational treatment of the effective theory produces results consistent with the FRG ones, suggesting the robustness of such a pairing function. The driving force for superconductivity in the strong coupling limit can be attributed to the local pair-hopping term and the spin-exchange on vertical bonds. We also discuss a possible scenario for the weak insulating behavior under low pressures in terms of the tendency toward the formation of charge order in the strong coupling limit.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 보고된 고압 하에서 La3Ni2O7의 초전도 현상에 대한 이해를 자극한다.
• E_g 다중궤도에서 이층 이중 궤도 허부드 모델에서 페어링 대칭성과 기전을 조사한다.
• 함수적 재정규화군(FRG)과 강결합 유효 이론을 통해 약-중간 결합 구간을 해명한다.
• FRG 결과를 실공간 페어링 패턴과 연결하고 매개변수에 따른 강건성을 조사한다.

제안 방법

• DFT에서 얻은 도약 파라미터를 가진 이층 제곱 격자에서 이층 이중 궤도(d3z2-r2 및 dx2-y2) 타이트 바인딩 모델을 사용한다.
• 실행 스케일 Lambda에 따라 SC, SDW, CDW 채널을 추적하기 위해 특이 모드 기능적 재정규화군(SM-FRG)을 적용한다.
• SC 채널의 선도 고유모드를 추출하여 페어링 대칭성과 실공간 페어링 구성요소를 식별한다.
• 밴드 기준으로 SC 갭을 투영하여 페르미 포켓에서의 운동량 공간 갭 함수를 얻는다.
• 원자 단일 및 이전자 상태를 갖는 강결합 저에너지 유효 이론을 개발하고 변분(구츠빌) 분석을 수행한다.
• 페어링에 관한 FRG 결과와 강결합 변분 결과 사이의 일치를 보인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약-중간 결합 구간에서 La3Ni2O7에서 S±-wave 페어링이 선호되는가?
• RQ2 스핀 진동 구조가 페르미 포켓에서의 초전도 갭의 부호 변화와 어떤 관련이 있는가?
• RQ3 SC 상태에서 실공간 내재적 및 궤도 간 페어링 구성요소 중 어떤 것이 지배적인가?
• RQ4 강결합 유효 이론이 FRG로 예측된 페어링 대칭성과 기전을 지지하는가?
• RQ5 γ-포켓과 압력이 초전도 현상을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• FRG는 SC 채널이 먼저 발산함을 보여주며 S±-wave 대칭성을 갖는 초전도성으로의 불안정성을 시사한다.
• 갭은 페르미 포켓 간에 부호를 바꾸며, α- 및 γ-포켓은 같은 부호로 갭이 형성되고 β-포켓은 반대 부호를 가진다.
• 단위세포 내 intra-궤도 페어링이 우세하며, 강한 사이트 내 및 수직 결합 성분이 있고, onsite d3z2-r2와 dx2-y2 기여 사이에 위상 차이가 있다.
• 주도적 스핀 진동은 부호가 반대인 페르미 포켓을 잇는 모멘텀에서 발생하여 스핀-진동 구동 페어링을 지지한다.
• 강결합 극한에서 저에너지 유효 해밀토니안은 수직 결합에서의 국부 페어링 이동 및 스핀 교환에 의해 페어링이 유도됨을 보여주며 FRG 결과와 일치한다.
• 변분(Gutzwiller) 분석은 지배적인 실공간 성분을 가진 intra-궤도 s-파형 단결페어링을 산출하여 FRG 그림과 일치한다.