[论文解读] Possible $S_\pm$-wave superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$

Qing-Geng Yang, Da Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用 10

一句话总结

本文分析在压力下的 La3Ni2O7 的双层两轨道哈伯德模型，发现可能的由自旋涨落驱动的 S±-wave 超导性，并得到 FRG 和强耦合分析的支持。

ABSTRACT

Recently, the bulk nickelate La$_3$Ni$_2$O$_7$ is reported to show signature of high-temperature superconductivity under high pressure above $14$GPa [H. Sun et al., Nature 621, 493 (2023)]. We analyze the pairing mechanism and pairing symmetry in a bilayer Hubbard model with two orbitals in the $E_g$ multiplet. In the weak to moderate interaction regime, our functional renormalization group (FRG) calculations yield $S_\pm$-wave Cooper pairing triggered by leading spin fluctuations. The gap function changes sign across the Fermi pockets, and in real space the pairing is dominated by intra-unitcell intra-orbital components with antiphase between the onsite ones. In the strong coupling limit, we develop a low-energy effective theory in terms of atomic one- and two-electron states in the $E_g$ multiplet. The variational treatment of the effective theory produces results consistent with the FRG ones, suggesting the robustness of such a pairing function. The driving force for superconductivity in the strong coupling limit can be attributed to the local pair-hopping term and the spin-exchange on vertical bonds. We also discuss a possible scenario for the weak insulating behavior under low pressures in terms of the tendency toward the formation of charge order in the strong coupling limit.

研究动机与目标

• 理解高压下 La3Ni2O7 的超导性（如实验所报道）的动机与意义。
• 在 E_g 多重态下，研究双层两轨道哈伯德模型中的配对对称性与机制。
• 通过功能再正化群（FRG）与强耦合有效理论阐明弱到中等耦合区间的行为。
• 将 FRG 结果与实空间成对模式联系起来，并考察参数变化下的鲁棒性。

提出的方法

• 在双层方格晶格上使用 d3z2-r2 与 dx2-y2 的双层两轨道紧凑性模型，基于DFT导出的跃迁参数。
• 应用奇异模态功能再正化群（SM-FRG）跟踪随运行尺度 Lambda 的 SC、SDW、CDW 通道。
• 提取 SC 通道的首要特征模态以确定配对对称性及实空间配对分量。
• 将 SC 能隙投影到带基底以获得费米面囊上的动量空间能隙函数。
• 提出具有原子一电子态与两电子态的低能强耦合有效理论并进行变分（Gutzwiller）分析。
• 证明 FRG 结果与强耦合变分结果在配对方面的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱到中等耦合区间，La3Ni2O7 是否偏好 S±-wave 配对？
• RQ2 自旋涨落结构如何与费米面上超导隙符号相位的符号改变相关？
• RQ3 在 SC 状态中占主导的实空间同轨道内/跨轨道配对分量是什么？
• RQ4 强耦合有效理论是否支持 FRG 预测的配对对称性与机制？
• RQ5 γ-囊与压力在促发超导中的作用是什么？

主要发现

• FRG 显示 SC 通道首先发散，指示存在向超导性转变的不稳定性，并具有 S±-wave 对称性。
• 能隙在费米面囊之间发生符号改变，α-与 γ-囊同符号而 β-囊符号相反。
• 单位胞内同轨道的成对占主导，具有强烈的原位与垂直键分量，并且 d3z2-r2 与 dx2-y2 的贡献存在相位对反。
• 主要的自旋涨落出现在连接具有相反间隙符号的费米点的动量处，支持自旋涨落驱动的配对。
• 在强耦合极限下，低能有效哈密顿量显示由局部对跳跃与垂直键上的自旋交换驱动的配对，与 FRG 结果一致。
• 变分（Gutzwiller）分析给出同轨道内单重态 s 波配对，实空间成分占主导，符合 FRG 的描述。