[论文解读] Inter-layer valence bonds and two-component theory for high-$T_c$ superconductivity of La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ under pressure

Yi‐feng Yang, Guang-Ming Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2023

Iron-based superconductors research被引用 16

一句话总结

论文提出一种强耦合的双组分机制，用于在受压的 La3Ni2O7 中实现高-Tc 超导性，聚焦于 Ni-dz^2 电子的层间自旋单态对以及它们与接近四分之一填充的 dx2−y2 电子的混杂。它认为来自几乎填满的 dz^2 键合带的弱耦合图景不足以解释，并推导出一个最小有效模型来解释观测到的 Tc 约为 80 K。

ABSTRACT

The recent discovery of high-$T_{c}$ superconductivity in bilayer nickelate La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ under high pressure has stimulated great interest concerning its pairing mechanism. We argue that the weak coupling model from the almost fully-filled $d_{z^{2}}$ bonding band cannot give rise to its high $T_{c}$, and thus propose a strong coupling model based on local inter-layer spin singlets of Ni-$d_{z^{2}}$ electrons due to their strong on-site Coulomb repulsion. This leads to a minimal effective model that contains local pairing of $d_{z^{2}}$ electrons and a considerable hybridization with near quarter-filled itinerant $d_{x^{2}-y^{2}}$ electrons on nearest-neighbor sites. Their strong coupling provides a unique two-component scenario to achieve high-$T_{c}$ superconductivity. Our theory highlights the importance of the bilayer structure of superconducting La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ and points out a potential route for the exploration of more high-$T_{c}$ superconductors.

研究动机与目标

• 在高压下为 La3Ni2O7 寻找超导配对机制，超越基于弱耦合 dz^2 键合带解释的思路。
• 发展一个强耦合、两组分模型， 纳入层间 dz^2 自旋单态与游离的 dx2−y2 电子。
• 推导一个最小有效哈密顿量，并分析杂化如何促进全局相位相干性和高 Tc。

提出的方法

• 从基于密度泛函理论（DFT）信息的双层 Ni–O 晶格出发，包含 dz^2 和 dx2−y2 轨道及通过顶端氧 pz 的层间 dz^2 跃迁（式(1)）
• 证明 dz^2 键合带几乎被完全占据，而 dx2−y2 带接近四分之一填充，需要一个局部化的 dz^2 层间自旋单态图景。
• 引入一个两组分有效模型 H_eff（式(8)），包含层间 dz^2 自旋单态（J_perp）和与 dx2−y2 电子的杂化 V。
• 解耦层间自旋交换，得到局部 dz^2 配对场 Δ_d ∝ J_perp⟨ψ^d⟩，以及在 dx2−y2 分量中由二阶过程感应的 Δ_c 配对（式(9)–(10)）。
• 在复合情形下通过相位刚度推断 Tc，得到 Kosterlitz-Thouless 框架，其中 ρ_s 和 Tc ∼ t^c(δ_d V^2/J_perp t^c)^{2/3} 在适当条件下（式(11)–(12)）。
• 通过蒙特卡罗研究支持结果，显示 Tc 在改变 V 和 Δ_d 时非单调变化，与在压力下的实验结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 强耦合两组分框架能否解释在压力下的 La3Ni2O7 的高 Tc？
• RQ2 层间 dz^2 自旋单态及其与 dx2−y2 游离电子的耦合在产生超导性中起什么作用？
• RQ3 压力驱动的杂化 V 如何影响所提出模型中的 Tc 和相位相干性？
• RQ4 为何基于弱耦合的 dz^2 键合带图景不足以解释观测到的 Tc？
• RQ5 是什么最小模型能够捕捉高压下双层镍酸盐的本质物理？

主要发现

• 一个最小有效模型（H_eff），通过 J_perp 实现的层间 dz^2 自旋单态与接近四分之一填充的 dx2−y2 带强烈杂化，能够支撑高-Tc 超导。
• dz^2 自旋单态提供一个较大的配对能量尺度（Δ_d ∼ J_perp），并通过杂化诱发 dx2−y2 的配对（Δ_c），具有扩展的 s 波/两组分特征。
• dx2−y2 分量的相位刚度决定实际的 Tc，即使局部 dz^2 对的超流刚度较小，也能实现高 Tc。
• 在压力下，增大 V 能增强相位相干性，但可能与局部成对相竞争，导致 Tc 的非单调响应，与蒙特卡罗结果和实验一致。
• 常压下由于 dz^2 键合带完全占据而无超导（δ_d = 0），而有限的 δ_d（自掺入的空穴）使配对与超导成为可能。
• 该理论强调双层结构对于层间配对机制至关重要，并建议通过类似的两组分方案寻找其他高-Tc 超导体的途径。