[论文解读] Trends in electronic structures and $s_{\pm}$-wave pairing for the rare-earth series in bilayer nickelate superconductor $R_ 3$Ni$_2$O$_7$
本研究利用密度泛函理论和多轨道 RPA 计算，研究了在高压条件下，稀土双层镍氧化物系列 $R_3Ni_2O_7$ 的电子结构及 $s_{\pm}$-波超导配对。结果表明，基于镧的 $R_3Ni_2O_7$ 在超导性能方面表现最优，因其具有增强的费米面嵌套性和减弱的电子关联效应，且随着稀土离子半径减小，$T_c$ 降低，提示可通过基底工程实现更高的 $T_c$。
The recent discovery of pressure-induced superconductivity in the bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$ (LNO) has opened a new platform for the study of unconventional superconductors. In this publication, we investigate theoretically the whole family of bilayer 327-type nickelates $R_3$Ni$_2$O$_7$ ($R$ = Rare-earth elements) under pressure. From La to Lu, the lattice constants and volume decrease, leading to enhanced in-plane and out-of-plane hoppings, resulting in an effectively reduced electronic correlation $U/W$. Furthermore, the Ni's $t_{2g}$ states shift away from the $e_g$ states, while the crystal-field splitting between $d_{3z^2-r^2}$ and $d_{x^2-y^2}$ is almost unchanged. In addition, six candidates were found to become stable in the Fmmm phase, with increasing values of critical pressure as the atomic number increased. Similar to the case of LNO, the $s_{\pm}$-wave pairing tendency dominates in all candidates, due to the nesting between the {\bf M}=$(π,π)$ and the {\bf X}=$(π,0)$ and {\bf Y}=$(0,π)$ points in the Brillouin zone. Then, $T_c$ is expected to decrease as the radius of rare-earth (RE) ions decreases. Our results suggest that LNO is already the "optimal" candidate, with Ce a close competitor, among the whole RE bilayer nickelates, and to increase $T_c$ we suggest to grow on special substrates with larger in-plane lattice spacings.
研究动机与目标
- 确定在高压条件下，$R_3Ni_2O_7$ 族（$R$ = 稀土）在 Fmmm 相中的稳定性和电子结构。
- 评估稀土阳离子在调控电子关联、轨道能级分裂和费米面嵌套中的作用。
- 评估整个稀土系列中超导配对对称性和临界温度（$T_c$）的变化趋势。
- 识别出具有更高 $T_c$ 潜力的候选材料，并提出通过基底工程提升超导性的途径。
提出的方法
- 采用自旋极化密度泛函理论（DFT）计算，确定 $R_3Ni_2O_7$ 在高压下的结构稳定性及电子能带结构。
- 基于 DFT 构建紧束缚（TB）模型，计算镍 $d_{z^2}$ 和 $d_{x^2-y^2}$ 轨道的跃迁积分（$t_{\vec{x}}, t_{\vec{y}}, t_{\vec{z}}$）。
- 应用多轨道随机相位近似（RPA）计算自旋磁化率，并识别主导的配对通道。
- 追踪从镧到钐的整个稀土系列中 $U/W$ 比值、晶体场分裂及费米面拓扑结构的变化。
- 通过声子谱分析计算 Fmmm 相稳定性的临界压力。
- 映射 M = $(\pi,\pi)$ 与 X/Y = $(\pi,0)$, $(0,\pi)$ 点之间费米面嵌套情况，以评估 $s_{\pm}$-波配对倾向。
实验结果
研究问题
- RQ1哪些稀土 $R_3Ni_2O_7$ 化合物在高压下仍保持 Fmmm 相稳定？
- RQ2稀土阳离子如何影响电子关联（$U/W$）、轨道能级分裂及费米面拓扑结构？
- RQ3在 $R_3Ni_2O_7$ 系列中，配对对称性和超导配对强度如何？
- RQ4随着稀土元素离子半径减小，$T_c$ 是升高还是降低？
- RQ5通过使用具有更大面内晶格常数的基底，能否增强这些材料的 $T_c$？
主要发现
- 在高压下，Fmmm 相对六种稀土元素（从镧到钐）稳定，其临界压力随从镧到钐而增加。
- 随着稀土离子半径从镧减小到镥，晶格常数和体积减小，导致面内和垂直方向的跃迁积分增强，同时 $U/W$ 比值降低。
- $d_{3z^2-r^2}$ 和 $d_{x^2-y^2}$ 轨道保持明显的能量分离，而 $t_{2g}$ 态保持完全占据，并与 $e_g$ 态分离。
- 所有 $R_3Ni_2O_7$ 候选材料均表现出强烈的 $s_{\pm}$-波配对倾向，这是由于 M = $(\pi,\pi)$ 与 X/Y = $(\pi,0)$, $(0,\pi)$ 点之间费米面片的嵌套效应。
- 预测临界温度 $T_c$ 随稀土离子半径减小而单调降低，因此基于镧的 $R_3Ni_2O_7$ 是最优候选材料。
- 铈掺杂的 $R_3Ni_2O_7$ 是第二优候选材料，其 $T_c$ 仅略低于基于镧的化合物。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。