核心概念
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。
摘要
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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
統計資料
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。