[论文解读] Correlation Effects and Concomitant Two-Orbital $s_\pm$-Wave Superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ under High Pressure

Yi-Heng Tian, Yin Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 39被引用 9

一句话总结

使用双层双轨道哈伯模型并通过(胞内) DMFT求解，论文在高压下发现La3Ni2O7中同时存在两轨道s±波超导性，且两个Ni e_g轨道形成超导并经历受轨道间自旋耦合影响的同时会聚的Mott转变。

ABSTRACT

Possible high-$T_c$ superconductivity (SC) has been found experimentally in the bilayer material La$_3$Ni$_2$O$_7$ under high pressure recently, in which the Ni-$3d_{3z^2-r^2}$ and $3d_{x^2-y^2}$ orbitals are expected to play a key role in the electronic structure and the SC. Here we study the two-orbital electron correlations and the nature of the SC using the bilayer two-orbital Hubbard model downfolded from the band structure of La3Ni2O7 in the framework of the dynamical mean-field theory. We find that each of the two orbitals forms $s_\pm$-wave SC pairing. Because of the nonlocal inter-orbital hoppings, the two-orbital SCs are concomitant and they transition to Mott insulating states simultaneously when tuning the system to half filling. The Hund's coupling induced local inter-orbital spin coupling enhances the electron correlations pronouncedly and is crucial to the SC.

研究动机与目标

• 在压力下推动理解La3Ni2O7中的高温超导性。
• 研究两活跃Ni e_g轨道（3d3z^2−r^2与3d x^2−y^2）在超导中的作用。
• 考察轨道间耦合与Hund规则物理如何影响配对与Mott转变。

提出的方法

• 使用从La3Ni2O7在压力下的DFT简化得到的双层双轨道哈伯模型。
• 在零温下通过(胞内)DMFT用一个晶胞内的两站杂质求解。
• 使用精确对角化（ED）和自然轨道重整化群（NORG）作为杂质求解器。
• 计算成键/反成键的SC序参数Δ_{α±}以及局部/层间配对Δ_{0α}, Δ_{1α}。
• 利用镜像对称性将问题转化为成键/反成键态以简化计算。
• 通过非局域轨道跳跃考察x与z轨道之间的正交性与纠缠。

实验结果

研究问题

• RQ1 两Ni e_g轨道在高压下是否形成超导配对，如若形成，其对称性如何？
• RQ2 两轨道是否耦合使SC与Mott转变同时发生，而非各自独立？
• RQ3 轨道间自旋耦合（LIOSC）及非局域轨道间跃迁在稳定SC中起何作用？
• RQ4 抑制轨道间跃迁如何影响轨道选择性Mott或超导相？

主要发现

• 当掺杂偏离半充满时，两Ni e_g轨道都实现s±波超导。
• 两轨道在μ=0时经历同时的Mott转变，SC一起消失。
• 非局域轨道间跳跃使轨道纠缠，导致在完整模型下OSS C不存在。
• 局部轨道间自旋耦合（LIOSC）增强电子相关性，对通过z轨道的AFM相关性共享而实现x轨道超导至关重要。
• 抑制LIOSC会破坏强SC，显示其在配对中的关键作用。
• 当非局域轨道间跃迁t^{xz}_{3,4}被抑制时，出现轨道选择性的Mott/SC相，表明它们对同时性行为的重要性。