[论文解读] Orbital-selective Superconductivity in the Pressurized Bilayer Nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$: An Infinite Projected Entangled-Pair State Study

Jialin Chen, Fan Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Iron-based superconductors research参考文献 73被引用 6

一句话总结

本研究采用无限投影纠缠对态（iPEPS）模拟方法，探究掺杂压致双层镍酸盐La₃Ni₂O₇中的轨道选择性超导性。结果表明，$d_{x^2-y^2}$轨道通过层间$J_\perp$耦合驱动强鲁棒的$s$-波超导序，而$d_{z^2}$轨道仅表现出微弱配对；此外，用Pm或Sm取代La可增强超导性，提示实现更高临界温度$T_c$的潜在路径。

ABSTRACT

The newly discovered high-$T_c$ nickelate superconductor La$_3$Ni$_2$O$_7$ has generated significant research interest. To uncover the pairing mechanism, it is essential to investigate the intriguing interplay between the two $e_g$, i.e., $d_{x^2-y^2}$ and $d_{z^2}$ orbitals. Here we perform an infinite projected entangled-pair state (iPEPS) study of the bilayer $t$-$J$ model, directly in the thermodynamic limit and with orbitally selective parameters for $d_{x^2-y^2}$ and $d_{z^2}$ orbitals, respectively. The $d_{x^2-y^2}$ electrons exhibit significant intralayer hopping $t_\parallel$ and spin couplings $J_\parallel$, with interlayer $J_\perp$ passed from the $d_{z^2}$ electrons. However, the interlayer $t_\perp$ is negligible in this case. In contrast, the $d_{z^2}$ orbital demonstrates strong interlayer $t_\perp$ and $J_\perp$, while the inherent intralayer $t_\parallel$ and $J_\parallel$ are small. Based on the iPEPS results, we find clear orbital-selective behaviors in La$_3$Ni$_2$O$_7$. The $d_{x^2-y^2}$ orbitals exhibit robust superconductive (SC) order driven by the interlayer coupling $J_\perp$; while the $d_{z^2}$ band shows relatively weak SC order as a result of small $t_\parallel$ (lack of coherence) but large $t_\perp$ (strong Pauli blocking). Furthermore, by substituting rare-earth element Pm or Sm with La, we find an enhanced SC order, which opens up a promising avenue for discovering nickelate superconductors with even higher $T_c$.

研究动机与目标

• 解决关于双层镍酸盐La₃Ni₂O₇中哪个$e_g$轨道（$d_{x^2-y^2}$或$d_{z^2}$）主导超导性的争议。
• 研究强电子关联和层间耦合存在下轨道选择性超导配对机制。
• 评估稀土元素取代（La → Pm, Sm）对超导序参数和$T_c$的影响。
• 通过iPEPS方法在2D无限晶格中实现超导序的直接、热力学精确计算，超越准1D DMRG方法。

提出的方法

• 将费米子无限投影纠缠对态（iPEPS）方法应用于热力学极限下双层$t$-$J$模型的模拟。
• 采用简单更新和完整更新算法，以实现iPEPS张量网络的高效且精确优化。
• 实施轨道选择性参数：$d_{x^2-y^2}$轨道使用$t_{\parallel}, J_{\parallel}$，$d_{z^2}$轨道使用$t_{\perp}, J_{\perp}$，其中$d_{x^2-y^2}$的$t_{\perp} \approx 0$。
• 引入基于DFT的参数，用于稀土掺杂的R₃Ni₂O₇（R = La, Pm, Sm），包括$J = 4t^2/U$的超交换作用。
• 将超导序参数外推至无穷 bond 维度（$D \to \infty$）以提高精度。
• 在张量网络构建中使用交换门$S$以强制满足费米统计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在压致La₃Ni₂O₇中，哪个$e_g$轨道——$d_{x^2-y^2}$或$d_{z^2}$——主导超导配对？
• RQ2 起源于$d_{z^2}$轨道的层间耦合$J_\perp$如何影响$d_{x^2-y^2}$轨道的超导性？
• RQ3 用较重的稀土元素如Pm或Sm取代La是否能增强超导序参数和$T_c$？
• RQ4 轨道杂化与层间跃迁在决定$s$-波配对强度中的作用是什么？

主要发现

• $d_{x^2-y^2}$轨道表现出由层间$J_\perp$驱动的强鲁棒$s$-波超导序，而$d_{z^2}$轨道即使在人为引入$t_{\parallel}$的情况下也仅表现出微弱配对。
• 在电子密度$n_e = 0.6$时，从La到Pm和Sm，$d_{x^2-y^2}$轨道的超导序参数$\Delta_z$增加，表明配对强度增强。
• 通过取代提升$T_c$的主要原因是稀土掺杂后层间反铁磁耦合$J_\perp$的增加。
• 在mixD双层结构中，$d_{x^2-y^2}$轨道具有强$J_\perp$但可忽略的$t_{\perp}$，其超导性强于传统双层结构。
• 结果支持强耦合理论图景：洪特耦合使$J_\perp$从$d_{z^2}$轨道传递至$d_{x^2-y^2}$轨道，使其成为主要的超导通道。
• 本研究证实，$d_{x^2-y^2}$驱动的超导性在La₃Ni₂O₇中占主导地位，解决了弱耦合与强耦合理论之间的矛盾观点。