三層鎳氧化物中受阻的超導性與臨界溫度 Tc 的內在降低

Основные понятия

與雙層結構相比，三層鎳氧化物 La4Ni3O10 的超導轉變溫度 Tc 降低，是由於層間配對機制中存在內在阻挫，導致層間超導漲落增強。

Аннотация

文獻摘要

本研究以數值模擬的方式探討了三層鎳氧化物 La4Ni3O10 的超導特性，並與雙層鎳氧化物 La3Ni2O7 進行比較。研究發現，與雙層結構相比，三層鎳氧化物 La4Ni3O10 的超導轉變溫度 Tc 降低，這與銅氧化物超導體中 Tc 隨層數增加而升高的趨勢相反。作者認為，這種差異源於鎳氧化物與銅氧化物不同的配對機制：鎳氧化物以層間配對為主，而銅氧化物則以層內配對為主。

研究方法

本研究採用靜態輔助場蒙地卡羅方法，模擬了一個基於實驗和第一性原理計算的低能有效雙軌道三層模型。研究人員首先積分掉所有費米子自由度，得到僅依賴於配對場的有效作用量，然後進行蒙地卡羅模擬，對配對場的概率分佈進行採樣。

研究結果

1. Tc 的降低: 研究發現，在相同的參數下，三層模型的 Tc 明顯低於雙層模型。通過比較 Tc 與層間超交換作用 J 的比值，發現三層模型的最大 Tc/J 約為 0.02-0.03，而雙層模型則為 0.04-0.05。
2. 受阻的超導性: 研究發現，三層模型中配對場振幅的概率分佈呈現環狀，表明兩個外層與內層形成單態配對時存在競爭關係，導致層間超導漲落增強，從而抑制了 Tc。
3. 內在對稱性和約瑟夫森耦合: 通過對有效作用量進行展開，得到了一個金茲堡-朗道自由能，該自由能具有 SU(2)×U(1) 對稱性。非零的層間跳躍打破了 SU(2) 對稱性，導致出現內在的約瑟夫森耦合。
4. 配對對稱性: 通過構建 BCS 哈密頓量，研究人員發現 La4Ni3O10 中存在擴展的 s± 波能隙結構，並在不同的費米面上具有不同的符號和可能的節點。

研究結論

本研究提出，三層鎳氧化物 La4Ni3O10 中 Tc 的降低可能是其層間配對機制導致的內在特性，這與銅氧化物的層內配對機制形成鮮明對比。這一發現揭示了多層超導體中層間配對可能存在的豐富物理現象，為未來的研究指明了方向。

Статистика

三層鎳氧化物 La4Ni3O10 的最大 Tc/J 約為 0.02-0.03。
雙層鎳氧化物 La3Ni2O7 的最大 Tc/J 約為 0.04-0.05。
La3Ni2O7 在環境壓力下的層間超交換作用 J 約為 150 meV。
La3Ni2O7 在環境壓力下的層內超交換作用 J 小於 10 meV。
La4Ni3O10 中 dz2 軌道的自摻雜空穴密度 δh 約為 0.01。

Цитаты

Ключевые выводы из

Frustrated superconductivity and intrinsic reduction of $T_c$ in trilayer nickelate

by Qiong Qin, J... в arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2405.04340.pdf

Дополнительные вопросы

如何通過實驗驗證三層鎳氧化物中層間配對機制的影響？

要驗證三層鎳氧化物中層間配對機制，可以考慮以下實驗方向：
1. 探測層間相干性：

**c 軸方向的電導率測量：**層間配對機制預測 c 軸方向存在相位相干性，這會導致 c 軸方向電導率在超導轉變溫度以下顯著增加。通過比較不同層數鎳氧化物的 c 軸電導率，可以判斷層間配對的影響。
**約瑟夫森效應測量：**層間配對會導致層間產生內禀約瑟夫森耦合。可以設計實驗測量層間的約瑟夫森電流，並驗證其與理論預測的約瑟夫森頻率是否相符。
**層間隧穿譜：**通過製作三層鎳氧化物薄膜，並在其層間進行隧穿譜測量，可以探測層間的配對對稱性以及能隙結構。
2. 調控層間耦合強度：

**壓力調控：**通過施加壓力可以改變層間距離，進而調控層間耦合強度。系統研究不同壓力下三層鎳氧化物的超導轉變溫度，可以判斷層間耦合對超導電性的影響。
**化學摻雜：**通過化學摻雜可以改變層間電荷轉移，進而影響層間耦合。研究不同摻雜濃度下三層鎳氧化物的超導特性，可以分析層間耦合的作用。
3. 比較不同層數鎳氧化物的物理特性：

**系統比較單層、雙層和三層鎳氧化物的超導特性：**例如，比較它們的超導轉變溫度、超導能隙、同位素效應等，可以分析層間配對對超導電性的影響。
**比較不同層數鎳氧化物的磁學性質：**例如，測量它們的磁化率、自旋動力學等，可以判斷層間配對對磁性的影響。

如果考慮層內配對機制，是否也能解釋三層鎳氧化物中 Tc 的降低？

單純考慮層內配對機制，要解釋三層鎳氧化物中 Tc 的降低，需要找到其他因素導致 Tc 降低。可能的解釋包括：

**層間耦合導致的競爭：**即使主要配對機制發生在層內，層間耦合仍然可能存在並與層內配對產生競爭，從而抑制超導電性，導致 Tc 降低。
**層間電荷轉移的影響：**三層結構中，層間電荷轉移可能與雙層結構不同，導致費米面附近的電子結構發生變化，不利於層內配對，從而降低 Tc。
**結構因素的影響：**三層鎳氧化物可能存在一些結構上的差異，例如層間扭曲、氧空位分佈等，這些因素可能不利於層內配對，導致 Tc 降低。
需要注意的是，目前還沒有明確的實驗證據表明三層鎳氧化物中 Tc 的降低是由於層內配對機制導致的。

多層結構中層間配對的獨特性質是否可以用於設計新型超導材料？

多層結構中層間配對的獨特性質為設計新型超導材料提供了新的思路，例如：

**利用層間耦合增強超導電性：**通過設計合理的層間結構和材料，可以增強層間耦合，促進層間配對，從而提高超導轉變溫度。
**設計具有特定功能的超導器件：**層間配對導致的層間約瑟夫森效應可以用于設計新型超導器件，例如超導量子比特、超導探測器等。
**探索新的超導配對機制：**多層結構中層間配對的獨特性能夠為探索新的超導配對機制提供平台，例如非傳統的配對對稱性、拓撲超導等。
總之，多層結構中層間配對為設計新型超導材料提供了新的可能性，未來需要進一步的理論和實驗研究來探索其潛力。