[论文解读] Bilayer two-orbital model of La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure

Zhihui Luo, Xunwu Hu+3 more|PubMed|May 24, 2023

Iron-based superconductors research参考文献 50被引用 35

一句话总结

作者基于 DFT Wannier 下折，在高压（≈29.5–14 GPa 区间）下为 La3Ni2O7 构建了一个最小的双层两轨道模型，分析费米面拓扑，并在 RPA 框架下研究自旋易化，以讨论与超导性的关系。

ABSTRACT

The newly discovered Ruddlesden-Popper bilayer La_{3}Ni_{2}O_{7} reaches a remarkable superconducting transition temperature T_{c}≈80 K under a pressure of above 14 GPa. Here we propose a minimal bilayer two-orbital model of the high-pressure phase of La_{3}Ni_{2}O_{7}. Our model is constructed with the Ni-3d_{x^{2}-y^{2}}, 3d_{3z^{2}-r^{2}} orbitals by using Wannier downfolding of the density functional theory calculations, which captures the key ingredients of the material, such as band structure and Fermi surface topology. There are two electron pockets, α, β, and one hole pocket, γ, on the Fermi surface, in which the α, β pockets show mixing of two orbitals, while the γ pocket is associated with Ni-d_{3z^{2}-r^{2}} orbital. The random phase approximation spin susceptibility reveals a magnetic enhancement associated with the d_{3z^{2}-r^{2}} state. A higher energy model with O-p orbitals is also provided for further study.

研究动机与目标

• 通过确定关键低能自由度来动机化并理解 La3Ni2O7 的高压超导态。
• 提供一个最小的双层两轨道紧束缚模型，能够再现DFT 能带结构和近 E_F 的费米面。
• 通过 RPA 自旋易化研究磁性涨落，将轨道组成与潜在配对机制联系起来。

提出的方法

• 从 DFT 能带结构对高压相的 La3Ni2O7 进行 Wannier 下折，构建双层两轨道紧束缚模型。
• 定义基 Psi_sigma=(d_Ax, d_Az, d_Bx, d_Bz)^T 并构建 H(k)=[[H_A(k), H_AB(k)],[H_AB(k), H_A(k)]]，其中自洽层间跃迁按 Eq. (4) 给出。
• 包含在位 Coulomb 相互作用，参数为 U, U', J，并据此使用 H_U。
• 利用镜像对称性将哈密顿量对角化成成键/反键两部分 H_±(k)，如 Eq. (12) 所示。
• 下折为十一轨道模型，以包含 Ni-d 和 O-p 状态，并讨论对 O-p 能带积分出时的 Löwdin 下折的可能性。
• 使用 χ_S^(st)(q,iω_n) 与 Γ 按 Eqs. (13)-(19) 在 RPA 框架下计算自旋易化，以确定轨道分辨的磁性涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 需要捕获 La3Ni2O7 在高压附近的电子结构所需的最小轨道内容和双层结构是什么？
• RQ2 费米面拓扑（α, β 电子口袋和 γ 空穴口袋）如何与轨道特性及在压力下的潜在配对通道相关联？
• RQ3 在 RPA 框架下的动量-轨道分辨自旋易化是什么，哪些轨道主导磁性涨落？
• RQ4 层间耦合和 d_{3z^2−r^2} 的占据如何影响这类双层镍酸盐中的非常规超导性？

主要发现

• 在高压下的 DFT 能带结构显示，近 E_F 的主导是 Ni-d_x2−y2 和 Ni-d_3z2−r2 的混合，且在 T 点存在由 d_3z2−r2 贡献的空穴口袋，以及由混合轨道组成的 α、β 电子口袋。
• 最小的双层两轨道模型能够再现 DFT 能带结构和费米面，得到显著的层间耦合 t_bot^z，显著分裂 d_3z2−r2 区段。
• 费米面由 α、β 电子口袋（轨道混合）和由 d_3z2−r2 主导的 γ 空穴口袋组成，反映出口袋之间不同的轨道组成。
• RPA 自旋易化显示出环形的磁性增强，主导为同轨道的 d_3z2−r2 流量，与 γ 口袋的费米面共线性一致。
• 给出一个十一轨道模型（包括 Ni-d 和 O-p 状态），捕捉高能物理并提示通过 DMFT 或超越方法引入更复杂相关性的路径。
• 研究强调强烈的层间 d_3z2−r2 耦合及其对配对对称性潜在影响，与铜氧化物不同之处，并提出在压力下进一步研究电子-声子效应的可能性。