[論文レビュー] Different phase leads to different transport behavior in Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O compounds

Ran Liu, Ting Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理的DFT計算を用いて、Pb9Cu(PO4)6O（LK-99）の異なる結晶相が顕著に異なる電子的挙動を示すことを示した。4f相は、Cu 3d–O 2p混合に起因するFermi準位近くの平坦なバンドを有し、半金属的性質を示す。一方、6h相はスピン極化されたバンドと0.84 eVのバンドギャップを有する二極性磁性半導体であり、実験的報告における超伝導性と半導体的挙動の矛盾を説明する。

ABSTRACT

The recent claimed room-temperature superconductivity in Cu-doped lead apatite at ambient pressure are under highly debate. To identify its physical origin, we studied the crystal structures, energy band structures, lattice dynamics and magnetic properties of the parent Pb$_{10}$(PO$_4$)$_6$O compound, in which two different phases of the LK-99 compound are analyzed in detail. Our results show that the Pb$_{10}$(PO$_4$)$_6$O compound is an indirect band gap semiconductor, where Cu doping at the 4$f$ site of Pb leads to a semiconducting to half-metallic transition. Two half-filled flat bands spanning the Fermi energy levels are present in the 4$f$-phase of LK-99, which are mainly formed by hybridization of the $d_{x^2-y^2}$ and $d_{zy}$ orbitals of Cu with the 2$p$ orbitals of O. In addition, 6$h$-phase of LK-99 always has spin polarity at the bottom of the conduction band and at the top of the valence band, making the material a bipolar magnetic semiconductor. Our results are basically consistent with the recent experimental transport properties of LK-99 posted on arXiv:2308.05778.

研究の動機と目的

• 異なる結晶相の電子的および磁気的性質を分析することで、LK-99における室温超伝導性に関する矛盾する実験的報告を解消すること。
• Pbの4fまたは6h配位子におけるCuドーピングが、Pb9Cu(PO4)6Oで超伝導的または半導体的挙動を引き起こすかどうかを特定すること。
• バンド構造、状態密度、格子力学を焦点として、第一原理計算を用いて両相の安定性および電子構造を調査すること。
• 観察された抗磁性および可変電導度といった実験的結果の不一致を、相依存の輸送メカニズムによって説明すること。
• 報告された超伝導的挙動が、内在的な電子的性質に起因するのか、それとも混合相の試料に起因するアーティファクトなのかを明確にすること。

提案手法

• 電子構造計算に、PBE-GGA関数とプロジェクター準粒子ポテンシャル（PAW）を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 収束閾値をエネルギー10−4 Ry、イオン力10−3 Ry/bohrとして、全構造最適化を実施した。
• ブリユアンゾーンのサンプリングに4×4×6のkポイントメッシュとMethfessel-Paxtonスメアリング（0.005 Ry）を用いた。
• 動的安定性を評価するため、フォノン分散および状態密度を計算し、4f相に虚数周波数が存在することを特定した。
• スピン極化バンド構造および状態密度（DOS）の分析により、磁気的および半導体的特性を特定した。
• 4f相および6h相の生成エネルギーを比較した結果、6h相が0.10 eV低いエネルギーにあり、熱力学的により安定であることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pb9Cu(PO4)6OにおけるPbの4fまたは6h配位子へのCuドーピングが、根本的に異なる電子的相を引き起こすか？
• RQ2 4f相の電子バンド構造の性質は何か？ また、これは超伝導性または半金属的性質を支持するか？
• RQ3 なぜ実験的報告では、超伝導性を主張するものと半導体的挙動を観察するものとで矛盾しているのか？
• RQ4 両相における格子力学およびフォノンスペクトルはどのように異なり、構造的安定性に何を示唆するか？
• RQ5 実験で観察された輸送挙動は、内在的超伝導性ではなく、4f相と6h相の混合によって説明可能か？

主な発見

• Pb9Cu(PO4)6Oの4f相は、Fermi準位を通過する2つの半分満たされた平坦なバンドを示し、これはCu d_{x²−y²}およびd_{zy}軌道とO 2p軌道の混合に起因する。この現象は、半金属的基底状態を示唆する。
• 6h相は、0.84 eVのバンドギャップを有する二極性磁性半導体であり、価電子帯最大値（0.07 eVのスピン反転ギャップ）および伝導帯最小値（1.9 eVのスピン反転ギャップ）でスピン極化が観察される。
• 6h相の生成エネルギーは、4f相よりも0.10 eV低い（0.10 eV低い）ため、実験的条件下でより熱力学的に安定な相である。
• 4f相はフォノンスペクトルに虚数周波数を示し、動的不安定性を示しており、実際の試料では6h相がより力学的に安定化される可能性が高い。
• LK-99における部分的抗磁性および可変電導度の実験的観察は、4f相（半金属的）と6h相（半導体的）の混合によって説明可能である。
• 本研究の結果は、arXiv:2308.05778に掲載された実験的輸送データと整合しており、LK-99が超伝導体ではなく、複雑な電子的挙動を示す相混合材料であるという解釈を支持する。