[论文解读] Kondo resonance and $d$-wave superconductivity in the $t-J$ model with spin one holes: possible applications to the nickelate superconductor Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$

Ya-Hui Zhang, Ashvin Vishwanath|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本文提出一种具有自旋-1空穴的II型$t-J$模型，以解释Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$中的高温超导现象，引入了两种不同的$d$-波配对机制：自旋-1空穴凝聚导致自旋对称性破缺，以及Kondo共振驱动的相干$d$-波超导。一种统一的三费米子图子理论同时捕捉了这两种情形，揭示了掺杂相图中铜氧化物与重费米子物理的混合特征。

ABSTRACT

The recent observation of superconductivity at relatively high temperatures in hole doped NdNiO$_2$ has generated considerable interest, particularly due to its similarity with the infinite layer cuprates. Building on the observation that the Ni$^{2+}$ ions resulting from hole doping are commonly found in the spin-triplet state, we introduce and study a variant of the $t-J$ model in which the holes carry S=1. We name this new model the Type II $t-J$ model. We find two distinct mechanisms for $d$ wave superconductivity. In both scenarios the pairing is driven by the spin coupling $J$. However, coherence is gained in distinct ways in these two scenarios. In the first case, the spin-one holes condense leading to a $d$ wave superconductor along with spin-symmetry breaking. Different orders including spin-nematic orders are possible. This scenario is captured by a spin one slave boson theory. In the second scenario, a coherent and symmetric $d$ wave superconductor is achieved from Kondo resonance: spin one holes contribute two electrons to form large Fermi surface together with the spin 1/2 singly occupied sites. The large Fermi surface then undergoes $d$ wave pairing because of spin coupling $J$, similar to fermion superconductor. We propose a three-fermion parton theory to treat these two different scenarios in one unified framework and calculate its doping phase diagram within a self consistent mean field approximation. Our study shows that a combination of cuprate physics and heavy fermion physics may emerge in the type II $t-J$ model.

研究动机与目标

• 通过将空穴建模为自旋-1激发态，解释类Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$的空穴掺杂镍氧化物中高温$d$-波超导的起源。
• 通过将传统$t-J$模型扩展至包含自旋为1的空穴，解释在掺杂镍氧化物中观测到的Ni$^{2+}$离子的自旋三重态特征。
• 在一个统一的理论框架内，整合两种不同的$d$-波配对机制——自旋凝聚与Kondo共振。
• 利用自洽平均场近似推导II型$t-J$模型的掺杂相图。

提出的方法

• 提出II型$t-J$模型，其中空穴携带自旋-1，取代传统$t-J$模型中的自旋-1/2空穴图像。
• 应用自旋-1从属玻色子理论描述第一种机制：自旋-1空穴凝聚导致$d$-波超导及自旋对称性破缺。
• 发展一种三费米子图子理论，将自旋-1空穴凝聚与Kondo共振机制统一于同一理论框架中。
• 使用自洽平均场近似计算II型$t-J$模型的掺杂相图。
• 通过允许自旋-1空穴贡献两个电子，建模Kondo共振机制，形成大费米子面，从而通过自旋耦合$J$实现$d$-波配对。
• 分析统一理论中自旋向列序、超导配对与费米面重构之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$t-J$模型中采用自旋-1空穴描述，能否解释在Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$中观测到的$d$-波超导？
• RQ2 II型$t-J$模型中$d$-波配对的两种不同机制是什么？它们在相干性与对称性特性上如何不同？
• RQ3 涉及自旋-1空穴贡献两个电子的Kondo共振机制，如何导致大费米子面与$d$-波配对？
• RQ4 三费米子图子理论在多大程度上统一了II型$t-J$模型中自旋凝聚与Kondo共振的机制？
• RQ5 II型$t-J$模型的最终掺杂相图是什么？其如何反映出铜氧化物与重费米子物理的混合特征？

主要发现

• 具有自旋-1空穴的II型$t-J$模型为理解Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$等镍氧化物中的$d$-波超导提供了一个一致的理论框架。
• 识别出两种不同的$d$-波配对机制：自旋-1空穴凝聚导致自旋对称性破缺与自旋向列序；Kondo共振则实现相干的大费米子面。
• Kondo共振机制源于自旋-1空穴贡献两个电子，与自旋-1/2单占位点杂化，形成大费米子面。
• 该大费米子面通过自旋耦合$J$驱动$d$-波配对，类似于传统费米子超导体。
• 三费米子图子理论成功地在一个统一的理论框架内整合了两种配对机制。
• 自洽平均场计算的掺杂相图揭示了超导、自旋向列序与费米面重构之间丰富的相互作用，表明其为铜氧化物与重费米子物理的混合特征。