[论文解读] Quenched pair breaking by interlayer correlations as a key to superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$

Siheon Ryee, Niklas Witt+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用 7

一句话总结

本研究表明，高压下La₃Ni₂O₇中的层间电子关联（IECs）驱动自旋能级转变，改变费米面拓扑结构并抑制有害的铁磁自旋涨落。这种抑制增强了自旋单重态 $s$-波/层间 $d_{x^2-y^2}$-波配对，解释了观测到的 $T_c \approx 80$ K 超导性，并凸显IECs作为设计更高临界温度镍氧化物的关键机制。

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in La$_3$Ni$_2$O$_7$ with $T_\mathrm{c} \simeq 80~\mathrm{K}$ under high pressure opens up a new route to high-$T_\mathrm{c}$ superconductivity. This material realizes a bilayer square lattice model featuring a strong interlayer hybridization unlike many unconventional superconductors. A key question in this regard concerns how electronic correlations driven by the interlayer hybridization affect the low-energy electronic structure and the concomitant superconductivity. Here, we demonstrate using a cluster dynamical mean-field theory that the interlayer electronic correlations (IECs) induce a Lifshitz transition resulting in a change of Fermi surface topology. By solving an appropriate gap equation, we further show that the leading pairing instability, $s \pm$-wave, is enhanced by the IECs. The underlying mechanism is the quenching of a strong ferromagnetic channel, resulting from the Lifshitz transition driven by the IECs. Based on this picture, we provide a possible reason of why superconductivity emerges only under high pressure.

研究动机与目标

• 理解层间电子关联（IECs）如何影响高压La₃Ni₂O₇的低能电子结构与超导性。
• 确定IECs是否以促进超导配对的方式改变费米面拓扑结构与自旋磁化率。
• 识别IECs在无γ费米面口袋的情况下增强超导配对不稳定性之微观机制。
• 评估γ口袋在承载竞争性铁磁与反铁磁自旋涨落中的作用，以及IECs通过消除该口袋如何改变配对通道。
• 提供理论框架，通过调控层间关联设计更高临界温度的镍氧化物超导体。

提出的方法

• 在La₃Ni₂O₇的双层正方晶格二聚化模型上采用簇动态平均场理论（CDMFT），非微扰地包含局域与非局域（层间）电子关联。
• 将哈密顿量转换至成键-反成键（BA）轨道表象，以更好分离层间关联并简化层间杂化效应的分析。
• 利用杂化展开连续时间量子蒙特卡洛方法求解杂质问题，获得自能与单粒子格林函数。
• 从屏蔽单粒子传播器构建自旋磁化率与配对相互作用核，以分析磁涨落与超导不稳定性。
• 使用完整配对相互作用核求解间隙方程，以确定主导配对通道与临界温度。
• 引入层间铁磁自旋磁化率的缩放因子 $\zeta$，以探究配对对FM涨落的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 层间电子关联（IECs）如何改变高压La₃Ni₂O₇的费米面拓扑结构？
• RQ2 γ费米面口袋在介导竞争性铁磁与反铁磁自旋涨落中起何作用？
• RQ3 为何在CDMFT中，尽管γ口袋消失，超导配对仍被增强，这与常规自旋涨落理论相悖？
• RQ4 IECs如何通过抑制铁磁涨落来增强 $s$-波/层间 $d_{x^2-y^2}$-波配对？
• RQ5 能否通过调控层间杂化与IECs实现镍氧化物中更高临界温度的超导性？

主要发现

• 层间电子关联（IECs）诱导自旋能级转变，消除γ费米面口袋，改变La₃Ni₂O₇的低能电子结构。
• γ口袋的消失抑制了主导的铁磁（FM）自旋涨落通道，特别是 $\chi^{0}_{z_+z_+z_+z_+}(\bm{q}=0)$ 成分，该成分对单重态配对具有排斥作用。
• FM通道的抑制导致在整个布里渊区内产生吸引性配对相互作用 $\Gamma^{\mathrm{s}}_{\bar{z}\bar{z}\underline{z}\underline{z}}(q=0)$，从而增强超导配对。
• 主导的配对不稳定性被确定为层内 $s$-波/层间 $d_{x^2-y^2}$-波，即 $s\pm$-波配对，其临界温度在CDMFT中高于DMFT。
• 通过 $\zeta$ 缩放FM磁化率分量 $\chi^{0}_{z_+z_+z_+z_+}$，证实降低FM涨落可增强超导不稳定性与吸引性配对相互作用。
• 研究结果确立IECs作为增强双层镍氧化物超导性的关键机制，为设计更高临界温度材料提供了理论依据。