[论文解读] Superconductivity in a minimal two-band model for infinite-layer nickelates.

Peng Cheng, Hong‐Chen Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 35被引用 4

一句话总结

本研究通过在四腿圆柱形晶格上使用密度矩阵重正化群（DMRG）方法，研究了无限层镍氧化物中最小两带 Hubbard 模型的超导性。结果表明，在 12.5% 空穴掺杂下，体系表现出 Luther-Emery 液体行为，镍层中具有幂律衰减的超导关联和电荷密度关联，与实验观测到的非传统超导性一致。

ABSTRACT

While the recent discovery of superconductivity in infinite-layer nickelates has drawn considerable attention, a common ingredient of the fundamental building blocks to describe their ground states has been lacking. A series of experimental and theoretical studies have suggested that an effective two-band Hubbard model with Ni 3$d_{x^2-y^2}$ and rare-earth ($R$) 5$d$ character may describe the low-energy physics. Here, we study the ground state properties of this two-band model on four-leg cylinders using the density-matrix renormalization group (DMRG). At half-filling, the ground state of the system is consistent with a Luttinger liquid, possessing quasi-long-range charge and spin correlations in the $R$ layer, but short-range correlations in the Ni layer. At a hole doping concentration of $\delta=12.5\%$, the $R$ layer is nearly empty and the ground state of the system is consistent with a Luther-Emery liquid, where we find power-law superconducting and charge density correlations in the Ni layer, but exponentially decaying spin correlations. The consistency of our results with experimental observations may help to reveal the microscopic mechanism for pairing in these nickelates and other unconventional superconductors.

研究动机与目标

• 识别能够捕捉无限层镍氧化物低能物理的最小有效模型。
• 研究具有镍 3d 和稀土 5d 轨道特征的两带系统中超导性的出现机制。
• 利用数值精确的 DMRG 模拟确定空穴掺杂下的基态性质。
• 将理论结果与镍氧化物中观测到的超导性实验结果相联系。

提出的方法

• 构建一个包含镍 3d_{x^2-y^2} 和稀土 5d 轨道自由度的两带 Hubbard 模型。
• 在四腿圆柱形晶格上使用密度矩阵重正化群（DMRG）方法对模型进行数值求解。
• 通过关联函数分析基态性质：电荷、自旋和超导关联。
• 在半满和 12.5% 空穴掺杂下研究体系，以探测相变和配对倾向。
• 利用关联函数的衰减行为（幂律与指数衰减）将基态分类为 Luttinger 液体或 Luther-Emery 液体。

实验结果

研究问题

• RQ1 在半满时，无限层镍氧化物的最小两带模型的基态性质是什么？
• RQ2 空穴掺杂如何影响镍层中超导关联和电荷密度关联的出现？
• RQ3 在 12.5% 空穴掺杂下，体系是否表现出 Luther-Emery 液体行为，如由超导关联的幂律衰减所示？
• RQ4 所预测的关联行为是否与实验观测到的镍氧化物中超导性的结果一致？
• RQ5 稀土 5d 轨道在超导配对的媒介或稳定化过程中起什么作用？

主要发现

• 在半满时，体系表现出 Luttinger 液体行为，稀土层中具有准长程电荷和自旋关联，但镍层中为短程关联。
• 在 12.5% 空穴掺杂下，基态与 Luther-Emery 液体一致，其特征为镍层中具有幂律衰减的超导关联和电荷密度关联。
• 在 12.5% 掺杂下，镍层中的自旋关联呈指数衰减，表明形成了自旋能隙。
• 在 12.5% 空穴掺杂下，稀土层几乎完全空置，表明自旋自由度与镍层发生解耦。
• 在镍层中观测到的幂律衰减超导关联与实验报告的镍氧化物中存在超导性的结果一致。