[论文解读] Flat bands promoted by Hund's rule coupling in the candidate double-layer high-temperature superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$

Yingying Cao, Yi‐feng Yang|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 35被引用 13

一句话总结

作者在压力下对 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 进行了 DFT+DMFT 计算，揭示 Ni d 电子的双重 itinerant/localized 特性、Hund 引发的扁平带，以及 可能支撑超导性的怪异金属行为。他们强调强反铁磁相关性以及轨道选择性 Mott/Kondo 样物理，与 cuprates 相联系。

ABSTRACT

We report strongly correlated electronic band structure calculations of the recently discovered double-layer high-temperature superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure. Our calculations reveal dual nature of Ni-$d$ electrons with almost localized $d_{z^2}$ orbitals due to onsite Coulomb repulsion and very flat hybridization bands of Ni-$d_{x^2-y^2}$ and Ni-$d_{z^2}$ quasiparticles near the Fermi energy. We find that the quasiparticle effective mass are greatly enhanced by the Hund's rule coupling and their lifetimes are inversely proportional to the temperature, which explains the experimentally observed strange metal behavior in the normal state. We also find strong antiferromagnetic spin correlations of Ni-$d$ electrons, which may provide the pairing force of quasiparticles for the high-temperature superconductivity. These give a potential explanation of two key observations in experiment and connect the superconducting La$_3$Ni$_2$O$_7$ with cuprate high-temperature superconductors. The presence of flat bands and the interplay of orbital-selective Mott, Hund, and Kondo physics make La$_3$Ni$_2$O$_7$ a unique platform for exploring rich emergent quantum many-body phenomena in the future.

研究动机与目标

• 研究在强压条件下对 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 的电子结构进行分析，以超出弱相关 DFT 图像的理解。
• 识别 Ni d 电子的双重 itinerant-localized 特征及 Hund 耦合的作用。
• 阐明轨道选择性 Mott、Kondo-like 过程及自旋涨落与超导性和怪异金属行为的关系。
• 将发现与高 $T_c$ 实验观测及常态输运联系起来。
• 探讨扁平带对该材料中新兴多体现象的影响。

提出的方法

• 使用 WIEN2k 进行 DFT 计算，以在高压下获得轨道投影的能带结构。
• 对 Ni d 电子应用 U=5 eV、J=1 eV 的 DFT+DMFT，以捕捉强相关性。
• 将混合化展开的连续时间量子蒙特卡罗作为 DMFT 助解器； Analytic continuation 采用最大熵。
• 提取自能量自能以获得准粒子重整化因子和能带扁平化。
• 分析静态局部自旋磁化率及其 Curie-Weiss 行为，以评估局部磁矩及磁相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在压力下 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 中 Ni d 电子相关性的本质是什么？
• RQ2 Hund 规则耦合如何影响费米面附近带的重整化和带的扁平化？
• RQ3 轨道选择性 Mott 或 Kondo-like 过程在电子结构和潜在成对机制中是否起作用？
• RQ4 反铁磁自旋涨落是否可解释该体系中的超导性和怪异金属行为？

主要发现

• Ni d$_{z^{2}}$ 电子表现出几乎局域化的行为，在费米能附近有非常扁平的准粒子带，带宽约为 0.2 eV。
• Hund 规则耦合 (J) 显著增强准粒子重整化，使反变化 Z 的倒数从 ~1.6–1.7（J=0）增至 ~3.2（J=1 eV），对 d$_{z^{2}}$，并且也影响 d$_{x^{2}-y^{2}}$。
• d$_{x^{2}-y^{2}}$ 能带因与 d$_{z^{2}}$ 的杂化在 EF 附近被强烈重整化，产生扁平带和巨大质量增强。
• 自能的虚部对温度呈线性行为，两个轨道均符合怪异金属电阻的特征。
• 静态局部自旋磁化率遵循柯里-怀斯定律， Weiss 温标显著为负（约 -300 K），表明 Ni d$_{z^{2}}$ 势矩之间存在强烈的层间反铁磁相关。
• 结果暗示由反铁磁自旋涨落驱动的超导性机制，通过与 d$_{x^{2}-y^{2}}$ 能带的杂化实现的相干性，将 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 与 cuprates 联系起来。
• 研究强调轨道选择性 Mott、Hund 与 Kondo-like 物理学为该材料中涌现的量子现象提供框架。