[论文解读] Superconductivity and Antiferromagnetism in NdNiO$_2$ and CaCuO$_2$: A Cluster DMFT Study

Jonathan Karp, Alexander Hampel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本研究采用基于Nambu旋矢的2×2实空间簇动力学平均场理论（DMFT），同时模拟了NdNiO₂与CaCuO₂中的超导序与反铁磁序。结果表明，两种材料在相似空穴掺杂浓度下均表现出类铜氧化物的超导性，其超导穹顶相在低掺杂区受反铁磁性约束，高掺杂区Tc被抑制，支持镍氧化物超导性与铜氧化物物理本质相似的观点。

ABSTRACT

We perform a comparative $2 imes 2$ real space cluster DMFT study on minimal models for NdNiO$_2$ and CaCuO$_2$ obtained from downfolding DFT states, using a Nambu formalism that allows for both superconducting and antiferromagnetic order. We produce a phase diagram in temperature and doping. We find that for the nickelate, like the cuprate, the stoichiometric compound is antiferromagnetic. We find superconductivity in a doping range bounded, with a small coexistence region, by the onset of antiferromagnetism at low doping and with transition temperature becoming immeasurably small at high doping. Superconductivity emerges at around the same hole doping for both compounds, but requires a larger deviation from half filling for the nickelate. Both antiferromagnetic and superconducting order lead to a partial gapping of the $d_{x^2-y^2}$ Fermi surface sheet. Our similar results for the cuprate and nickelate suggest that nickelate superconductivity is cupratelike. We compare our results to the experimental phase diagram.

研究动机与目标

• 探究无限层镍氧化物NdNiO₂中的超导性是否在本质上与CaCuO₂等铜氧化物中的超导性相似。
• 确定Nd衍生能带及与Ni-d轨道的轨道杂化对电子结构与超导配对的调控作用。
• 解决关于镍氧化物中多重轨道与关联效应重要性的理论争议。
• 将理论预测与两类镍氧化物及铜氧化物的实验相图进行比较。
• 评估DFT+DMFT中双计数校正对强轨道杂化与竞争序共存体系的有效性。

提出的方法

• 对基于DFT降维得到的最小模型执行NdNiO₂与CaCuO₂的2×2实空间簇DMFT计算。
• 采用Nambu形式化方法在同一计算中同时处理超导与反铁磁序参数。
• 通过使用DFT或DMFT电荷密度的双计数校正，以考虑自相互作用效应。
• 采用三轨道模型（Ni-dx²−y²、dxy、dz²）与七轨道模型（包含Nd-dz²与dxy轨道）以检验结果的鲁棒性。
• 通过计算异常自能与序参数，识别d波超导与反铁磁相。
• 通过比较不同双计数方案与轨道模型规模下的结果，评估数值稳定性与物理一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NdNiO₂中的超导性是否在与CaCuO₂相近的掺杂水平下出现，暗示其具有类铜氧化物物理特性？
• RQ2 Nd衍生能带及其与Ni-d轨道的杂化如何影响超导与反铁磁相的稳定性？
• RQ3 NdNiO₂中的超导穹顶相是否如铜氧化物中一样，在低掺杂区受反铁磁序约束？
• RQ4 除dx²−y²轨道外，其他轨道自由度在镍氧化物关联物理中起到多大作用？
• RQ5 结果对强关联多轨道体系中DFT+DMFT双计数校正的选择有多敏感？

主要发现

• 化学计量比的NdNiO₂化合物为反铁磁性，与同族铜氧化物CaCuO₂类似，尽管实验上在1.7 K以下未观测到长程反铁磁序。
• 在NdNiO₂与CaCuO₂中，超导性均在约x ≈ 0.12的空穴掺杂浓度下出现，其超导穹顶相在低掺杂区受反铁磁性约束。
• 随着掺杂浓度增加，Tc逐渐降低，在高掺杂区趋于不可测量，与实验观测一致。
• 反铁磁序与超导序均导致dx²−y²费米面片部分能隙化，表明其具有共同的电子响应。
• 在七轨道模型中引入额外轨道（如Nd-dz²与dxy）并未定性改变异常自能，支持d波配对机制的鲁棒性。
• 双计数校正的选择对异常自能仅有微小定量影响，未改变定性相边界，验证了方法论的合理性。