[论文解读] High-$T_c$ superconductivity by mobilizing local spin singlets and possible route to higher $T_c$ in pressurized La$_3$Ni$_2$O$_7$

Qiong Qin, Y. Yang|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 54被引用 10

一句话总结

论文使用静态辅助场蒙特卡罗在一个最小双层模型上展示，通过与金属 d_x^2−y^2 轨道带的杂化，动员局部 d_z^2 层间自旋单态可以诱发超导，导致 Tc 对杂化的非单调关系，并提出在压力下 La3Ni2O7 提高 Tc 的途径。

ABSTRACT

We clarify the pairing mechanism of high-$T_c$ superconductivity in bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$ under high pressure by employing the static auxiliary field Monte Carlo approach to simulate a minimal effective model that contains local $d_{z^2}$ interlayer spin singlets and metallic $d_{x^2-y^2}$ bands. Superconductivity is induced when the local spin singlet pairs are mobilized and attain long-distance phase coherence by hybridization with the metallic bands. When projected onto realistic Fermi surfaces, it yields a nodeless $s$-wave gap on the $γ$ Fermi surface, and extended $s$-wave gaps of the same (opposite) sign on the $α$ ($β$) Fermi surface due to its bonding (antibonding) character, with nodes or gap minima along the diagonal direction of the two-dimensional Brillouin zone. We find a dual role of the hybridization that not only induces global phase coherence but also competes with the spin singlet formation. This lead to a tentative phase diagram where $T_c$ varies nonmonotonically with the hybridization, in good correspondence with experimental observations. A roughly linear relation is obtained for realistic hopping and hybridization parameters: $T_c\approx 0.04-0.05 J$, where $J$ is the interlayer superexchange interaction. We emphasize the peculiar tunability of the bilayer structure and propose that $T_c$ may be further enhanced by hole doping or applying uniaxial pressure along the $c$ axis on superconducting La$_3$Ni$_2$O$_7$. Our work provides reliable numerical evidence for the pairing mechanism of high-$T_c$ superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ and points out a potential route to achieve even higher $T_c$.

研究动机与目标

• 澄清在高压下双层 La3Ni2O7 的高温超导配对机制。
• 证明通过杂化动员局部 d_z^2 层间自旋单态如何导致全球相位一致性与超导。
• 量化杂化强度 V 如何影响配对强度和相位一致性，并与压力下的实验 Tc 趋势比较。
• 确定与真实费米表面相一致的超导隙结构。
• 提出通过调节 J、V、掺杂或单轴压力来可能提高 Tc 的途径。

提出的方法

• 构建一个包含层间反铁磁超交换 J、最近邻跃迁 t、化学势 μ，以及 d_z^2 与 d_x^2−y^2 轨道之间的面内杂化 V 的最小有效双层哈密顿量。
• 通过霍伯德-斯特拉茨变换解耦 J S1i·S2i 项，引入局部层间自旋单态场 Δi。
• 通过对 Δi 采用静态（时间不变）近似以避免符号问题，从而实现对 Δi 配置的蒙特卡罗采样。
• 通过积分掉费米子计算有效作用量 S_eff(Δi)，并研究 Δi 的热波动/空间涨落。
• 通过 p(Δ) 分布分析局部成对，并使用相位分布、相位互信息和涡旋密度 dn_v/dT 评估相位一致性。
• 确定三个温度尺度 Tc^I（相位一致性起始）、Tc^v（与 BKT 相关的涡旋增殖）以及 TΔ（局部自旋单态的起始）。
• 将 Tc 与 J 与 V 联系起来，并在现实参数范围内估计 Tc≈0.04–0.05 J。

实验结果

研究问题

• RQ1 动员的局部 d_z^2 层间自旋单态如何获得长距离相位一致性以在压力下产生 La3Ni2O7 的超导？
• RQ2 d_z^2 与 d_x^2−y^2 波带之间的杂化 V 在促进或抑制超导中的作用？
• RQ3 这种机制在现实费米面上的预期能隙结构？
• RQ4 模型能否再现压力下实验观察到的 Tc(V) 的非单调性，哪些途径可能进一步提高 Tc？

主要发现

• 当动员的局部自旋单态通过与金属带的杂化获得长距离相位一致性时，产生超导。
• 局部成对强度（TΔ）随 V 增大而减小，表现出自旋单态形成与杂化之间的竞争。
• 相位一致性（Tc^I、Tc^v）随 V 先增后减，产生与压力下实验趋势类似的非单调 Tc。
• 在现实的 t 与 V 值下，发现近似线性 Tc–J 关系 Tc ≈ 0.04–0.05 J，暗示更大的 J 可提高 Tc。
• 预测的能隙结构：γ 面上为无节点的 s 波，α 面上为扩展 s 波，β 面上为符号相反的扩展 s 波，且沿布里渊区对角线有节点/极小，原因是 V_k ∝ (cos kx − cos ky)。
• 相 diagrams 显示三种尺度在最优 V 附近收敛，并再现压力下的实验 Tc 行为（Tc 上升至约 80 K 后下降）。
• 表明通过增大层间交换 J（例如通过单轴 c 轴压力）或掺杂来改变 V，可能实现更高的 Tc。