[论文解读] Theory of Rare-earth Infinite Layer Nickelates

Emily Been, Wei-Sheng Lee+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2020

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 7

一句话总结

本文研究了从镧系元素系列中所有稀土元素构成的无限层镍氧化物RNiO₂的电子与磁性特性，发现较重稀土元素的5d电子对费米能级的贡献逐渐增强。随着从La到Lu晶格体积的减小，磁交换作用增强，可能有利于超导性，但巡游5d电子引起的类似Kondo的屏蔽效应会干扰电荷转移、能带宽度重正化与磁关联之间的相互作用。

ABSTRACT

The recent discovery of superconductivity in oxygen-reduced monovalent nickelates has raised a new platform for the study of unconventional superconductivity, with similarities and differences with the cuprate high temperature superconductors. In this paper we discuss general trends of the infinite-layer nickelate RNiO$_2$ with rare-earth R spanning across the lanthanide series. We determine that the role of oxygen charge transfer diminishes when traversing from La to Lu, with a prominent role played by rare-earth 5d electrons near the Fermi level. A decrease in lattice volume indicates that the magnetic exchange additionally grows, which may be favorable for superconductivity. However compensation effects from the itinerant 5d electrons present a closer analogy to Kondo lattices, indicating a more complex interplay between charge transfer, bandwidth renormalization, compensation, and magnetic exchange.

研究动机与目标

• 理解在镧系元素系列中RNiO₂电子结构的演化。
• 评估氧电荷转移与稀土元素5d电子在决定电子特性中的作用。
• 评估晶格收缩对磁交换作用与超导倾向的影响。
• 分析电荷转移、能带宽度重正化与Kondo样屏蔽之间相互作用的性质。

提出的方法

• 利用理论建模系统分析镧系元素系列中RNiO₂的电子结构趋势。
• 评估费米能级附近氧电荷转移贡献与稀土元素5d电子贡献的相对重要性。
• 定量评估从La到Lu的晶格体积变化及其对磁交换能的影响。
• 研究电荷转移、能带宽度重正化与巡游5d电子引起的Kondo样屏蔽之间的竞争效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RNiO₂中，稀土元素5d电子对费米能级的贡献在镧系元素系列中如何变化？
• RQ2 在RNiO₂中，从La到Lu，氧电荷转移的贡献减弱到何种程度？
• RQ3 晶格体积收缩如何影响RNiO₂中的磁交换相互作用？
• RQ4 在RNiO₂中，电荷转移、能带宽度重正化与Kondo样屏蔽之间的相互作用本质是什么？

主要发现

• 在RNiO₂中，氧电荷转移的作用从La到Lu显著减弱，较重稀土元素在费米能级附近表现出主导的5d电子贡献。
• 在镧系元素系列中晶格体积减小，表明磁交换相互作用增强，可能支持超导性。
• 巡游5d电子的增多引入了类似Kondo晶格的行为，使超导配对机制更加复杂。
• 电荷转移、能带宽度重正化与Kondo屏蔽之间形成复杂相互作用，表明电子关联中存在非平凡的竞争关系。