[論文レビュー] Electronic structure and superconductivity in unconventional cuprates Ba$_2$CuO$_{3+\delta}$

Congcong Le, Kun Jiang+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、Ba₂CuO₃₊δ（δ ≈ 0.2）が、新しい面内酸素ドーピングメカニズムを通じて非摂動的超伝導を示すことを提案しており、その結果、CuO₆八面体が圧縮され、Cu 3d eg 軌道スプリングが逆転する。空孔ドーピング x = 2δ における二軌道強相関モデルは、多バンド反相位 d 波（d±）対称性の超伝導状態を示し、軌道選択的ドーピングを介した二帯 Mott絶縁体における Tc の向上への新たな道筋を示唆する。

ABSTRACT

We study the recently discovered $73$K high-$T_c$ superconductor Ba$_2$CuO$_{3+\delta}$ at $\delta\simeq0.2$ grown under high pressure. Neutron experiments find that the polycrystal exhibits a structure similar to La$_2$CuO$_4$, but with dramatically different lattice parameters due to the CuO$_6$ octahedron compression. The resulting crystal field leads to an inverted Cu $3d$ $e_g$ complex with the $d_{x^2-y^2}$ orbital sitting below the $d_{3z^2-r^2}$ orbital and an electronic structure highly unusual compared to the conventional cuprates. We conjecture that the material realizes a new path of in-plane positional oxygen doping, where the doped oxygens create matrices of compressed Ba$_2$CuO$_4$ embedded in Ba$_2$CuO$_{3}$. Constructing a strongly correlated two-orbital model at hole doping $x=2\delta$ of the Cu $d^9$ state, we show that the spin-orbital exchange interactions lead to a multiband antiphase $d$-wave superconducting state, i.e. a nodal $d_\pm$ pairing state. These findings suggest that the class of unconventional cuprates with liberated orbitals as doped two-band Mott insulators can be a direction for realizing high-T$_c$ superconductivity with enhanced transition temperature $T_c$.

研究の動機と目的

• 高圧下に成長された高 Tc カプレート Ba₂CuO₃₊δ（δ ≈ 0.2）における電子構造および超伝導メカニズムを調査すること。
• CuO₆ 八面体の格子圧縮が結晶場スプリングをどのように変化させ、d_{x²−y²}/d_{3z²−r²} 軌道配置が逆転するかを理解すること。
• Ba₂CuO₃マトリックス内に埋め込まれた Ba₂CuO₄ に類似したユニットを形成する面内位置的酸素ドーピングの役割を調査すること。
• 空孔ドーピングされた Cu d⁹ 状態のための二軌道モデルを構築し、その超伝導対称性への影響を特定すること。
• このような軌道選択的ドーピングが、Tc が向上した多バンド d±-波超伝導状態を安定化させられるかどうかを同定すること。

提案手法

• 多結晶 Ba₂CuO₃₊δ（δ ≈ 0.2）の結晶構造および格子定数を決定するための中性子回折実験。
• CuO₆ 八面体の圧縮を分析し、その結果生じる結晶場スプリングおよび軌道エネルギーの逆転を推定すること。
• 空孔ドーピング x = 2δ における Cu 3d⁹ 状態の強相関二軌道モデルを構築し、スピン-軌道交換相互作用に注目すること。
• 二軌道モデルを用いて有効ハミルトニアンを導出し、強い相関下での対称性を分析すること。
• 対称性およびギャップ構造の分析を通じて、超伝導対称性が多バンド反相位 d 波（d±）状態であることを同定すること。
• La₂CuO₄ などの従来のカプレートスと比較し、軌道選択的ドーピングの独自性と Tc 向上への影響を強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba₂CuO₃₊δ における CuO₆ 八面体の圧縮は、結晶場スプリングをどのように変化させ、d_{x²−y²}/d_{3z²−r²} 軌道配置を逆転させるか？
• RQ2 Ba₂CuO₃₊δ における面内位置的酸素ドーピングの性質は何か？ また、それが埋め込まれた Ba₂CuO₄ に類似たユニットを形成する仕組みは？
• RQ3 強い相関下で空孔ドーピングされた Cu d⁹ 状態の二軌道モデルにおいて、どのような超伝導対称性が出現するか？
• RQ4 この系における軌道選択的ドーピングメカニズムが、Tc が向上した多バンド d±-波対称性状態をもたらすか？
• RQ5 このメカニズムは、La₂CuO₄ などの従来の空孔ドーピングとはどのように異なるか？

主な発見

• Ba₂CuO₃₊δ の CuO₆ 八面体は顕著に圧縮されており、その結果、d_{x²−y²} 軌道が d_{3z²−r²} 軌道よりもエネルギー的に低くなる逆転した結晶場スプリングが生じる。
• 本材料は、圧縮された Ba₂CuO₄ ユニットのマトリックスが Ba₂CuO₃ ハイストに埋め込まれた、新しい面内位置的酸素ドーピングメカニズムを実現している。
• 空孔ドーピング x = 2δ における Cu d⁹ 状態の二軌道モデルは、スピン-軌道交換相互作用が多バンド反相位 d 波（d±）超伝導状態を有利にすることを示している。
• d± 対称性状態は、二つの軌道間で秩序パラメータの符号変化を示し、節を持つ対称性および多バンドコherenecyを特徴付ける。
• 二帯 Mott 絶縁体におけるこの軌道選択的ドーピング経路は、従来のカプレートスを越えた高 Tc 超伝導を実現するための新たなメカニズムを提供する。
• 研究結果は、軌道スプリングとドーピング位置の制御が、非摂動的超伝導体における Tc 向上に有効な道筋である可能性を示唆している。