DOI: https://doi.org/10.1088/0256-307x/41/5/057403
تاريخ النشر: 2024-04-16
المؤلف: Jie-Ran Xue وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية عالية الضغط والمواد
نظرة عامة
لقد أثار الاكتشاف الأخير لإمكانية وجود موصلية فائقة عند درجات حرارة عالية في بلورات La3Ni2O7 الفردية تحت الضغط اهتمامًا متجددًا في أبحاث النيكل. تشير حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) إلى أن كل من المدارات $d_{z^2}$ و $d_{x^2-y^2}$ نشطة، مما يؤدي إلى اقتراح نموذج مداري ثنائي بسيط لوصف الفيزياء ذات الطاقة المنخفضة لهذا المادة بشكل فعال. تستخدم هذه الدراسة نموذج $t$-$J$ ثنائي الطبقات ضمن تقريب غوتزويلر متعدد الأطياف للتحقيق في التفاعل بين المغناطيسية والموصلية الفائقة عبر مستويات مختلفة من حفر الثقوب.
تكشف النتائج أن التفاعلات الفائقة بين المدارات بين $d_{z^2}$ و $d_{x^2-y^2}$ تؤدي إلى اقتران مغناطيسي في الطبقات، والذي يتنافس مع التفاعلات المضادة المغناطيسية التقليدية، مما يؤدي إلى اعتماد معقد للخصائص المغناطيسية على حفر الثقوب. مع زيادة حفر الثقوب، ينتقل النظام من حالة مغناطيسية مضادة من النوع G (G-AFM) إلى حالة مغناطيسية مضادة من النوع A (A-AFM). بالإضافة إلى ذلك، تبرز الدراسة أن الاقتران الفائق بين الطبقات يتضمن بشكل أساسي المدارات $d_{x^2-y^2}$، مدفوعًا بالقفز الكبير على طول الروابط العمودية بين الطبقات وارتباط هوند القوي بين نوعي المدارين. من الجدير بالذكر أن حالة G-AFM والموصلية الفائقة يمكن أن تتواجد معًا عند مستويات حفر ثقوب منخفضة، كما تم فحص تأثيرات سعة القفز بين الطبقات تحت الضغط، مما يؤثر أيضًا على خصائص النظام.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التحقيق المستمر في الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية، مع التركيز بشكل خاص على الكوبريتات والنيكل. بعد اكتشاف الموصلية الفائقة في الكوبريتات، تم توجيه جهود نظرية وتجريبية كبيرة نحو فهم آليات الاقتران المعنية، مع التركيز بشكل خاص على دور تكوين الإلكترون d$^9$ لـ Cu$^{2+}$ وطبقات CuO$_2$ شبه ثنائية الأبعاد. تبرز الدراسة الطبيعة المتساوية الإلكترون ل Ni$^{+}$ مع Cu$^{2+}$، مما أدى إلى زيادة الاهتمام بالموصلية الفائقة غير التقليدية في النيكل، على الرغم من درجات الحرارة الانتقالية المنخفضة نسبيًا (T$_c$) التي لوحظت في مواد مثل Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$.
لقد أثار الاكتشاف الأخير للموصلية الفائقة في بلورة La$_3$Ni$_2$O$_7$ الفردية تحت الضغط، والتي تحقق T$_c$ تصل إلى 80K، اهتمامًا متجددًا. يقترح المؤلفون نموذجًا مداريًا ثنائيًا بسيطًا لوصف الفيزياء ذات الطاقة المنخفضة لـ La$_3$Ni$_2$O$_7$، مع تضمين مساهمات كل من المدارات d$_{z^2}$ و d$_{x^2-y^2}$ بالقرب من مستوى فيرمي. يقترحون أن ارتباط هوند (المشار إليه بـ J$_H$) يفضل تكوين دوران عالي، مما يؤدي إلى تطوير نموذج t-J ثنائي الطبقات فعال. تهدف الورقة إلى استكشاف التفاعل بين الموصلية الفائقة والمغناطيسية في La$_3$Ni$_2$O$_7$، باستخدام تقريب غوتزويلر متعدد الأطياف لتحليل خصائص الحالة الأساسية عبر ملء النطاقات المتغيرة. تشير النتائج إلى أن الاقتران الفائق الموجي بين الطبقات للمدارات d$_{x^2-y^2}$ يتواجد مع ترتيب مغناطيسي مضاد من النوع G في مناطق الحفر المنخفضة، مع تعزيز الموصلية الفائقة من خلال زيادة القفز بين الطبقات.
مناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تحليلًا مفصلًا لنموذج t-J ثنائي الطبقات، مع التركيز على هاملتونيان متوسط الميدان الفعال المستمد من نموذج مداري ثنائي على شبكة مربعة ثنائية الطبقات. يتضمن الهاملتونيان تفاعلات متنوعة، بما في ذلك تفاعلات هوبارد في الموقع وارتباط هوند، ويتم تحديده بناءً على حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). يستخدم المؤلفون نظرية الاضطراب من الدرجة الثانية لاستنتاج نموذج t-J ثنائي الطبقات، الذي يلتقط الفيزياء الأساسية للنظام، وخاصة التفاعل بين الترتيب المغناطيسي والموصلية الفائقة.
تشير النتائج إلى أن النظام يظهر اقترانًا فائقًا موجيًا بشكل أساسي من المدارات $d_{x^2-y^2}$، متأثرًا بتفاعلات تبادل الدوران القوي بين الطبقات. يجد المؤلفون أن معلمات ترتيب الموصلية الفائقة والترتيبات المغناطيسية تتطور مع حفر الثقوب، مما يكشف عن انتقال من حالة مغناطيسية مضادة من النوع G (G-AFM) إلى حالة مغناطيسية مضادة من النوع A (A-AFM) مع زيادة الحفر. من الجدير بالذكر أن وجود سطح فيرمي مغلق تمامًا عند الحفر المنخفض يثبط الموصلية الفائقة، بينما تزداد الحفر المثلى وكمية ترتيب الاقتران مع زيادة القفز بين الطبقات. تختتم الدراسة بأن التواجد المتزامن للموصلية الفائقة والمغناطيسية هو سمة رئيسية للنظام، مع تداعيات لفهم سلوك الموصلات الفائقة النيكل تحت ظروف متغيرة.
DOI: https://doi.org/10.1088/0256-307x/41/5/057403
Publication Date: 2024-04-16
Author(s): Jie-Ran Xue et al.
Primary Topic: High-pressure geophysics and materials
Overview
The recent identification of potential high-temperature superconductivity in La3Ni2O7 single crystals under pressure has sparked renewed interest in nickelate research. Density Functional Theory (DFT) calculations indicate that both the $d_{z^2}$ and $d_{x^2-y^2}$ orbitals are active, leading to the proposal of a minimal two-orbital model to effectively describe the low-energy physics of this material. This study employs a bilayer two-orbital $t$-$J$ model within the multiband Gutzwiller approximation to investigate the interplay between magnetism and superconductivity across various hole doping levels.
The findings reveal that the inter-orbital super-exchange interactions between the $d_{z^2}$ and $d_{x^2-y^2}$ orbitals induce ferromagnetic coupling within the layers, which competes with the conventional antiferromagnetic interactions, resulting in a complex dependence of magnetic properties on hole doping. As hole doping increases, the system transitions from a G-type antiferromagnetic (G-AFM) state to an A-type antiferromagnetic (A-AFM) state. Additionally, the study highlights that inter-layer superconducting pairing predominantly involves the $d_{x^2-y^2}$ orbitals, driven by significant hopping along vertical inter-layer bonds and strong Hund’s coupling between the two orbital types. Notably, the G-AFM state and superconductivity can coexist at low hole doping levels, and the effects of inter-layer hopping amplitude under pressure are also examined, further influencing the system’s properties.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the ongoing investigation into high-temperature superconductivity, particularly focusing on cuprates and nickelates. Following the discovery of superconductivity in cuprates, significant theoretical and experimental efforts have been directed towards understanding the pairing mechanisms involved, with particular emphasis on the role of the d$^9$ electronic configuration of Cu$^{2+}$ and the quasi-two-dimensional CuO$_2$ layers. The study highlights the isoelectronic nature of Ni$^{+}$ with Cu$^{2+}$, which has led to a growing interest in unconventional superconductivity in nickelates, despite the relatively low transition temperatures (T$_c$) observed in materials like Nd$_{1-x}$Sr$_x$NiO$_2$.
Recent findings of superconductivity in the single crystal La$_3$Ni$_2$O$_7$ under pressure, achieving T$_c$ up to 80K, have sparked renewed interest. The authors propose a two-orbital minimal model to describe the low-energy physics of La$_3$Ni$_2$O$_7$, incorporating the contributions of both d$_{z^2}$ and d$_{x^2-y^2}$ orbitals near the Fermi level. They suggest that the Hund’s coupling (denoted as J$_H$) favors a high-spin configuration, leading to the development of an effective bilayer t-J model. The paper aims to explore the interplay between superconductivity and magnetism in La$_3$Ni$_2$O$_7$, utilizing a multiband Gutzwiller approximation to analyze ground state properties across varying band fillings. The findings indicate that inter-layer s-wave superconducting pairing of d$_{x^2-y^2}$ orbitals coexists with G-type antiferromagnetic order in low doping regions, with superconductivity being enhanced by increased inter-layer hopping.
Discussion
In this section, the authors present a detailed analysis of the bilayer t-J model, focusing on the effective mean-field Hamiltonian derived from a two-orbital model on a bilayer square lattice. The Hamiltonian incorporates various interactions, including onsite Hubbard interactions and Hund’s coupling, and is parameterized based on density functional theory (DFT) calculations. The authors employ second-order perturbation theory to derive the bilayer t-J model, which captures the essential physics of the system, particularly the interplay between magnetic order and superconductivity.
The results indicate that the system exhibits s-wave superconducting pairing predominantly from the $d_{x^2-y^2}$ orbitals, influenced by strong inter-layer spin exchange interactions. The authors find that the superconducting order parameters and magnetic orders evolve with hole doping, revealing a transition from a G-type antiferromagnetic (G-AFM) state to an A-type antiferromagnetic (A-AFM) state as doping increases. Notably, the presence of a fully gapped Fermi surface at low doping suppresses superconductivity, while the optimal doping and pairing order magnitude increase with enhanced inter-layer hopping. The study concludes that the coexistence of superconductivity and magnetism is a key feature of the system, with implications for understanding the behavior of nickelate superconductors under varying conditions.