[论文解读] Robust $d_{x^2-y^2}$-wave superconductivity of infinite-layer nickelates

Xianxin Wu, Domenico Di Sante+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 23

一句话总结

本研究通过从头计算、紧束缚模型和重整化微扰理论（RPA）在弱耦合与强耦合区域对无限层镍氧化物中的超导性进行了研究。在单轨道与三轨道模型中均发现稳定的 $d_{x^2-y^2}$-波配对对称性，该结果通过RPA和t-J模型平均场分析得到验证，表明尽管存在Nd 4d轨道杂化和电子口袋，该配对机制依然稳定，暗示其与铜氧化物类似但源于镍氧化物本身的内在机制。

ABSTRACT

Motivated by the recent observation of superconductivity in strontium doped NdNiO$_2$, we study the superconducting instabilities in this system from various vantage points. Starting with first-principles calculations, we construct two distinct tight-binding models, a simpler single-orbital as well as a three-orbital model, both of which capture the key low energy degrees of freedom to varying degree of accuracy. We study superconductivity in both models using the random phase approximation (RPA). We then analyze the problem at stronger coupling, and study the dominant pairing instability in the associated t-J model limit. In all instances, the dominant pairing tendency is in the $d_{x^2-y^2}$ channel, analogous to the cuprate superconductors.

研究动机与目标

• 确定掺锶的NdNiO2（一种新发现的镍氧化物超导体）中的超导配对对称性。
• 评估在电子结构存在差异的情况下，铜氧化物中观察到的 $d_{x^2-y^2}$-波配对在镍氧化物中是否依然稳定。
• 评估Nd 4d轨道杂化和电子口袋对超导配对稳定性的影响。
• 比较弱耦合（RPA）与强耦合（t-J模型）方法在相同体系中超导性的表现。
• 确定 $d_{x^2-y^2}$ 配对是否为镍氧化物超导体的普遍特征，且独立于类铜氧化物磁性。

提出的方法

• 采用PBE-GGA泛函和平面波基组（600 eV截断能）的从头计算密度泛函理论（DFT）计算，获得NdNiO2的电子结构。
• 构建两种紧束缚模型：一种为最小单轨道模型（Ni $d_{x^2-y^2}$），另一种为包含Nd $d_{z^2}$ 和 $d_{xy}$ 轨道的三轨道模型。
• 应用随机相位近似（RPA）研究两种模型中由排斥相互作用引起的超导不稳定性。
• 在强耦合极限下推导出t-J模型，其中Ni $d_{x^2-y^2}$ 轨道之间存在自旋交换相互作用 $J_1$（面内）和 $J_2$（面外）。
• 对t-J哈密顿量进行平均场分解，求解 $d_{x^2-y^2}$、$s$-波和 $d_{z^2}$-型配对通道的自洽间隙方程。
• 在 $100\times100\times50$ 的k空间网格上数值求解间隙方程，使用费米-狄拉克分布函数计算超导间隙和基态能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同电子模型中，$d_{x^2-y^2}$-波配对是否为无限层镍氧化物中的主导超导通道？
• RQ2 与Nd 4d轨道的杂化如何影响镍氧化物中 $d_{x^2-y^2}$-波配对的稳定性？
• RQ3 Nd 4d态引起的电子口袋是否存在会抑制或改变 $d_{x^2-y^2}$-波配对趋势？
• RQ4 $d_{x^2-y^2}$-波配对对称性在弱耦合（RPA）和强耦合（t-J模型）处理下是否均具有鲁棒性？
• RQ5 在镍氧化物体系中，何种最优掺杂水平可使 $d_{x^2-y^2}$-波间隙最大化？

主要发现

• 在单轨道与三轨道紧束缚模型中，RPA分析一致表明 $d_{x^2-y^2}$-波配对为主导超导通道。
• 在t-J模型中，当 $J_1 = J_2 > 0.05$ 时，$d_{x^2-y^2}$-波间隙急剧增大，表明强耦合区域中具有强烈的配对倾向。
• 在空穴掺杂为0.1（即 $n = 0.9$）时，$d_{x^2-y^2}$-波间隙达到最大值，而电子掺杂则抑制超导性。
• 对于 $n = 0.8$ 的三维间隙函数，在球形费米面上间隙接近消失，与RPA结果一致，表现出节点行为。
• Nd 4d电子口袋的引入对 $d_{x^2-y^2}$-波配对仅有微弱影响，表明其对金属母相具有强鲁棒性。
• 随着 $J_1$ 增大，基态能量降低，证实了t-J模型中超导态的稳定性。