[논문 리뷰] Theory of Rare-earth Infinite Layer Nickelates

Emily Been, Wei-Sheng Lee외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 27.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 랜타니드 계열을 따라 무한층 구조를 가진 니켈산 rare-earth 산화물 RNiO₂의 전자적 및 자성 성질을 조사하며, 무거운 희토류 원소에서 기인하는 5d 전자의 기여가 점점 더 증가하여 피에르미 수준에 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다. La에서 Lu로 갈수록 격자 부피가 감소함에 따라 강한 자성 스핀 교환 상호작용이 발생하여 초전도성 향상 가능성을 유도하지만, 이동성 5d 전자에 의한 경쟁적 코히어런트 스크리닝 효과가 전하 이동, 밴드폭 재정규화 및 자성 상관관계 간의 상호작용을 복잡하게 만든다.

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in oxygen-reduced monovalent nickelates has raised a new platform for the study of unconventional superconductivity, with similarities and differences with the cuprate high temperature superconductors. In this paper we discuss general trends of the infinite-layer nickelate RNiO$_2$ with rare-earth R spanning across the lanthanide series. We determine that the role of oxygen charge transfer diminishes when traversing from La to Lu, with a prominent role played by rare-earth 5d electrons near the Fermi level. A decrease in lattice volume indicates that the magnetic exchange additionally grows, which may be favorable for superconductivity. However compensation effects from the itinerant 5d electrons present a closer analogy to Kondo lattices, indicating a more complex interplay between charge transfer, bandwidth renormalization, compensation, and magnetic exchange.

연구 동기 및 목표

• 랜타니드 계열을 따라 RNiO₂의 전자 구조 변화를 이해하기 위해.
• 전자적 성질을 결정짓는 산소 전하 이동과 희토류 5d 전자의 기여를 평가하기 위해.
• 격자 수축이 자성 스핀 교환 및 초전도 성향에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이 물질들에서 전하 이동, 밴드폭 재정규화 및 코히어런트 스크리닝 효과 간의 경쟁적 상호작용을 분석하기 위해.

제안 방법

• 랜타니드 계열 전반에 걸쳐 RNiO₂의 전자 구조 경향성을 이론적 모델링을 통해 체계적으로 분석하기 위해.
• 피에르미 수준 근처에서 산소 전하 이동의 기여와 희토류 5d 전자의 기여를 상대적으로 평가하기 위해.
• La에서 Lu로의 격자 부피 변화를 정량적으로 평가하고, 자성 스핀 교환 에너지에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 이동성 5d 전자에 의한 코히어런트 스크리닝 효과와 전하 이동, 밴드폭 재정규화 간의 경쟁적 상호작용을 조사하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RNiO₂에서 랜타니드 원소의 5d 전자가 피에르미 수준에 기여하는 정도가 랜타니드 계열 전반에 걸쳐 어떻게 변화하는가?
• RQ2 RNiO₂에서 La에서 Lu로 갈수록 산소 전하 이동은 어느 정도 감소하는가?
• RQ3 격자 부피 수축이 RNiO₂에서 자성 스핀 교환 상호작용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 RNiO₂에서 전하 이동, 밴드폭 재정규화 및 코히어런트 스크리닝 효과 간의 상호작용의 본질은 무엇인가?

주요 결과

• RNiO₂에서 산소 전하 이동의 기여는 La에서 Lu로 갈수록 크게 감소하며, 무거운 희토류 원소에서는 피에르미 수준 근처에서 5d 전자의 기여가 지배적이다.
• 랜타니드 계열 전반에 걸쳐 격자 부피가 감소함에 따라 자성 스핀 교환 상호작용이 강화되어 초전도성 향상 가능성을 유도한다.
• 이동성 5d 전자의 증가로 인해 코히어런트 라티스 유사 행동이 나타나며, 이는 초전도성 쌍성립 메커니즘을 더욱 복잡하게 만든다.
• 전하 이동, 밴드폭 재정규화 및 코히어런트 스크리닝 효과 간의 복잡한 상호작용이 발생하여 전자 상관관계에서 비트리비얼한 경쟁이 존재함을 시사한다.