[论文解读] Surface $s$-wave superconductivity for oxide-terminated infinite-layer nickelates

Xianxin Wu, Kun Jiang+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Advanced Mathematical Modeling in Engineering被引用 18

一句话总结

本研究揭示，氧化物终止的无限层镍氧化物表现出由扭曲的NiO₂层以及空穴掺杂的$d_{xy}$和$d_{xz/yz}$轨道引起的增强费米面嵌套所导致的表面$s$-波超导性，从而形成主导的$s_{\pm}$-波配对态。表面配对对称性与体相的$d$-波态不同，通过终止依赖的电子结构和约瑟夫森耦合，解释了扫描隧道显微镜实验中观测到的混合$s$-和$d$-波隙特征。

ABSTRACT

We analyze the electronic structure of different surface terminations for infinite-layer nickelates. Surface NiO$_2$ layers are found to be buckled, in contrast to planar bulk layers. While the rare-earth terminated surface fermiology is similar to the bulk limit of the nickelates, the NiO$_2$ terminated surface band structure is significantly altered, originating from the effect of absence of rare-earth atoms on the crystal field splitting. Contrary to the bulk Fermi surfaces, there are two Ni-$3d$ Fermi pockets, giving rise to enhanced spectral weight around the $\bar{ ext{M}}$ point in the surface Brillouin zone. From a strong-coupling analysis, we obtain dominant extended $s$-wave superconductivity for the surface layer, as opposed to $d$-wave for the bulk. This finding distinguishes the nickelates from isostructural cuprates, where the analogous surface pairing mechanism is less pronounced. Our results are consistent with region-dependent gap structures revealed in recent STM measurements and provide an ansatz to interpret experimental data of surface-sensitive measurements on the infinite-layer nickelates.

研究动机与目标

• 研究无限层镍氧化物不同表面终止的电子结构和超导配对对称性。
• 解决体相$d$-波超导性与表面扫描隧道显微镜测量中观测到的混合$s$-和$d$-波隙特征之间的矛盾。
• 确定表面终止（Nd与NiO₂）如何改变晶体场分裂、费米面拓扑结构以及超导配对对称性。
• 为解释表面敏感光谱学数据（包括扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱）提供理论框架。
• 通过二级约瑟夫森耦合解释时间反演对称性破缺的$s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$配对的起源。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，模拟Nd终止和NiO₂终止表面的电子结构。
• 分析表面扭曲和轨道杂化效应，特别是NiO₂终止表面中不存在稀土原子的影响。
• 基于$t$-$J$模型的强耦合分析，评估表面层的超导配对对称性。
• 将表面与体相NiO₂层之间的杂化作用纳入考虑，以模拟整个体系的超导态。
• 计算表面与体相超导序之间的约瑟夫森耦合，以确定涌现的配对对称性。
• 评估所得态密度（DOS）和隙结构，与实验扫描隧道显微镜数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 表面终止（Nd与NiO₂）如何影响无限层镍氧化物中的晶体场分裂和轨道能级？
• RQ2 NiO₂终止表面的费米面拓扑结构如何？与体相有何不同？
• RQ3 为何表面表现出$s$-波超导性，而体相则偏好$d$-波配对？
• RQ4 表面与体相超导态之间的耦合如何导致混合的$s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$配对态？
• RQ5 扫描隧道显微镜测量中观测到的混合$s$-和$d$-波隙特征是否可由表面终止依赖的配对对称性解释？

主要发现

• NiO₂终止表面呈现扭曲结构，与体相的平面NiO₂层显著不同。
• NiO₂终止表面中缺乏稀土原子，显著改变了晶体场分裂，使$d_{xz/yz}$和$d_{xy}$轨道能级升高。
• NiO₂终止表面形成两个不同的费米口袋：一个空穴口袋位于$\bar{\Gamma}$附近，一个电子口袋位于$\bar{\text{M}}$附近。
• 双口袋费米面拓扑结构使表面层倾向于形成主导的$s_{\pm}$-波超导性，与体相的$d$-波配对形成对比。
• 表面$s_{\pm}$-波与体相$d$-波态之间的二级约瑟夫森耦合导致时间反演对称性破缺的$s_{\pm}-id_{x^{2}-y^{2}}$配对态。
• 计算得到的态密度呈现V形隙，具有多个隙特征，与近期扫描隧道显微镜测量中观测到的区域依赖隙结构一致。