[論文レビュー] Surface $s$-wave superconductivity for oxide-terminated infinite-layer nickelates

Xianxin Wu, Kun Jiang+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Advanced Mathematical Modeling in Engineering被引用数 18

ひとこと要約

本研究は、酸化物終末の無限層ニッケル酸化物が、ねじれ状態のNiO₂層と、穴ドープされた$d_{xy}$および$d_{xz/yz}$軌道による増強されたフェルミ面ネスティングによって、表面$s$-波超伝導を示すことを明らかにした。この結果、支配的となる$s_{\pm}$-波対称性のペアリング状態が生じる。表面のペアリング対称性は、バルクの$d$-波状態とは異なり、終端依存の電子構造とジョセフソン結合によって、STM実験で観測された$s$-波と$d$-波の混合ギャップシグネチャーを説明する。

ABSTRACT

We analyze the electronic structure of different surface terminations for infinite-layer nickelates. Surface NiO$_2$ layers are found to be buckled, in contrast to planar bulk layers. While the rare-earth terminated surface fermiology is similar to the bulk limit of the nickelates, the NiO$_2$ terminated surface band structure is significantly altered, originating from the effect of absence of rare-earth atoms on the crystal field splitting. Contrary to the bulk Fermi surfaces, there are two Ni-$3d$ Fermi pockets, giving rise to enhanced spectral weight around the $\bar{ ext{M}}$ point in the surface Brillouin zone. From a strong-coupling analysis, we obtain dominant extended $s$-wave superconductivity for the surface layer, as opposed to $d$-wave for the bulk. This finding distinguishes the nickelates from isostructural cuprates, where the analogous surface pairing mechanism is less pronounced. Our results are consistent with region-dependent gap structures revealed in recent STM measurements and provide an ansatz to interpret experimental data of surface-sensitive measurements on the infinite-layer nickelates.

研究の動機と目的

• 無限層ニッケル酸化物の異なる表面終端における電子構造と超伝導ペアリング対称性を調査すること。
• バルクの$d$-波超伝導と、表面におけるSTM測定で観測された$s$-波と$d$-波の混合ギャップシグネチャーとの間に生じる矛盾を解消すること。
• 表面終端（Nd vs. NiO₂）が結晶場分裂、フェルミ面トポロジー、および超伝導ペアリング対称性に与える影響を特定すること。
• 表面感受性分光法（STMやARPESを含む）のデータを解釈するための理論的枠組みを提供すること。
• 2次元ジョセフソン結合による時間反転対称性破れの$s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$ペアリングの起源を説明すること。

提案手法

• Nd終端面およびNiO₂終端面の電子構造をモデル化するためのab initio密度汎関数理論（DFT）計算。
• 表面のねじれ構造と軌道混合効果の分析、特にNiO₂終端面における希土類元素の欠如に起因する影響。
• 表面層における超伝導ペアリング対称性を評価するための強相関系$t$-$J$モデルに基づく強い結合解析。
• 表面とバルクのNiO₂層間の混合を組み込むことで、全系の超伝導状態をモデル化。
• 表面とバルクの超伝導秩序間のジョセフソン結合を計算し、出現するペアリング対称性を特定。
• 実験的STMデータと比較可能な、密度状態（DOS）とギャップ構造の計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面終端（Nd対NiO₂）は、無限層ニッケル酸化物における結晶場分裂と軌道エネルギー準位にどのように影響を与えるか？
• RQ2 NiO₂終端面におけるフェルミ面トポロジーはどのようなものであり、バルクとはどのように異なるか？
• RQ3 なぜ表面では$s$-波超伝導が現れるのに対し、バルクでは$d$-波ペアリングが好まれるのか？
• RQ4 表面とバルクの超伝導状態の結合が、混合$s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$ペアリング状態をどのように生じさせるのか？
• RQ5 STM測定で観測された$s$-波と$d$-波のギャップの混合シグネチャーは、表面終端依存のペアリング対称性によって説明可能か？

主な発見

• NiO₂終端面は、バルクの平面的NiO₂層とは異なり、ねじれた構造を示す。
• NiO₂終端面における希土類元素の欠如は、結晶場分裂を顕著に変化させ、$d_{xz/yz}$および$d_{xy}$軌道のエネルギー準位を上昇させる。
• NiO₂終端面は2つの異なるフェルミポケットを形成する：$\bar{\Gamma}$付近にホールポケット、$\bar{\text{M}}$付近に電子ポケット。
• 2ポケットフェルミ面トポロジーは、バルクの$d$-波ペアリングとは対照的に、表面層における支配的となる$s_{\pm}$-波超伝導を促進する。
• 表面の$s_{\pm}$-波状態とバルクの$d$-波状態との間の2次元ジョセフソン結合が、時間反転対称性破れの$s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$ペアリング状態を生じる。
• 計算された状態密度はV字型のギャップと複数のギャップ特徴を示し、最近のSTM測定で観測された領域依存のギャップ構造と整合的である。