{\it Ab initio} prediction of $d_{x^2-y^2}$-wave superconductivity in infinite-layer nickelates

技术摘要：无穷层镍氧化物中 $d_{x^2-y^2}$ 波超导性的从头算预测

问题陈述
无穷层镍氧化物（特别是空穴掺杂的 $Re_{1-x}Sr_xNiO_2$，其中 $Re = La, Pr, Nd$）已成为一种潜在的新型非常规高温超导体家族。然而，其超导性的基本方面，包括配对机制和能隙对称性，仍处于激烈争论之中。虽然结构和电子特性与铜氧化物相似，暗示了非常规$d$ 波配对，但先前的理论研究得出了相互矛盾的结果。一些密度泛函理论（DFT）计算表明，电子-声子耦合（EPC）强度过弱，不足以解释观测到的临界温度（$T_c$）；而近期的 GW 研究则预测了由声子介导的双能隙 $s$ 波超导电性。至关重要的是，自旋涨落（SF）相互作用（通常被认为是铜氧化物中 $d$ 波配对的驱动力）在这些材料中尚未在严格的从头算（ab initio）框架下得到深入研究。

方法论
作者展示了一项使用超导体密度泛函理论（SCDFT）进行的完全从头算理论研究。该方法扩展了传统的 DFT，以考虑超导体中的规范对称性破缺。研究重点针对最优掺杂的 $Re_{0.8}Sr_{0.2}NiO_2$（$Re = La, Pr, Nd$）。

关键方法论特征包括：

• 平等对待处理： SCDFT 形式化方法将电子-声子耦合（EPC）、动态屏蔽的电子-电子（e-e）库仑斥力和自旋涨落（SF）介导的配对相互作用同时进行平等对待。
• 计算框架： 计算利用 QUANTUM ESPRESSO 软件包进行常态 DFT（LDA）计算，并利用密度泛函微扰理论（DFPT）获取声子和 EPC 矩阵元。SCDFT 能隙方程使用 SCTK 代码进行求解。
• 近似方法： 电荷和自旋磁化率在绝热局部密度近似（ALDA）内计算，尽管作者指出使用随机相位近似（RPA）的结果并无显著差异。
• 受控“计算机实验”： 为了分离驱动机制，作者通过选择性地关闭特定的相互作用项（例如 SF 相互作用或库仑斥力）来进行计算，以观察由此产生的 $T_c$ 和能隙对称性的变化。

主要结果

1. 能隙对称性与结构： 计算表明 $Re_{0.8}Sr_{0.2}NiO_2$ 是具有符号反转的 $d_{x^2-y^2}(\pm)$ 波能隙结构的二带超导体。
   • 布里渊区（BZ）中心的宽准二维费米面（FS）口袋（H 带）表现出具有 $B_{1g}$ 对称性的巨大 $d_{x^2-y^2}$ 波能隙。
   • 位于 BZ 角处的细小三维电子费米面口袋（E 带）也表现出 $d_{x^2-y^2}$ 波能隙，但其量级要小得多，且相对于 H 带具有相反的符号。
2. 驱动机制： 研究证明超导性主要由自旋涨落（SF）驱动。
   • 当关闭 SF 相互作用时，系统最初表现为常规的声子介导超导体，其 $T_c$ 约为 $1.0$K。然而，当随后在这一仅含声子的情景中加入屏蔽库仑斥力时，$T_c$被抑制到了微不足道的$\sim 0.01$ K。
   • 在较大的 H 带费米面上，SF 相互作用强度比 EPC 和屏蔽库仑斥力高出一个数量级。
   • 相反，在较小的 E 带口袋上，EPC 占据主导地位，但整体超导性由较大 H 带上的 SF 介导配对所决定。
3. 临界温度： 计算出的 La、Pr 和 Nd 化合物的 $T_c$ 值（分别为 7.3 K、12.7 K 和 16.1 K）与实验值吻合良好。
4. $d$-波配对的起源： $d_{x^2-y^2}$ 节点能隙的出现可追溯到计算的 Lindhard 响应函数（裸磁化率 $\chi_0(q)$）在 BZ 角附近（$Q \approx (\pi/a, \pi/a)$）出现的显著峰值。这些峰值表明存在强反铁磁嵌套矢量，它们连接了具有相反能隙符号的费米面区域，从而满足了斥力型 SF 介导配对的条件（$\Delta_k = -\Delta_{k+Q}$）。
5. 与实验对比：
   • 计算得到的 LaSrNiO 费米面拓扑结构与角分辨光电子能谱（ARPES）数据相匹配。
   • 计算得到的准粒子态密度（QPDOS）呈现出 V 形能隙结构，这与节点超导电性一致。该理论谱图与在 NdSrNiO 薄膜平坦表面区域进行的扫描隧道谱（STS）数据高度吻合。
   • 计算得到的能隙-温度比（$\Delta_{max}/k_B T_c \approx 2.3$）显著超过了 BCS 弱耦合极限，进一步支持了非常规节点超导电性。

意义与主张
本文声称提供了首个完全从头算的证据，证明无穷层镍氧化物是非常规 $d_{x^2-y^2}$ 波超导体，由自旋涨落而非声子驱动。通过自洽地处理 EPC、库仑斥力和 SF 相互作用，作者解决了关于配对机制的歧义，证明了 SF 相互作用是主导力量。

本研究强调了其与先前基于 GW 预测的声子介导 $s$ 波超导电性的差异，并将此归因于早期工作中忽略了 SF 相互作用以及对库仑斥力的半经验处理。作者断言，其预测的性质——包括特定的费米面拓扑、节点能隙结构和准粒子态密度——与目前大多数可用的实验数据是一致的。此外，他们提出，其对 $La_{0.8}Sr_{0.2}NiO_2$ 和 $Pr_{0.8}Sr_{0.2}NiO_2$ 扫描隧道谱的预测已准备好进行即时实验验证，以进一步验证所提出的 $d$ 波机制。