[論文レビュー] Electronic structure of the putative room-temperature superconductor Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O

Liang Si, Karsten Held|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2023

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 45被引用数 12

ひとこと要約

Pb9Cu(PO4)6OにおけるDFT計算は、Cu置換に伴いフェルミ準位を横切る2つの超狭いCu由来の平坦帯を示す絶縁性の親化合物を示しており、ドープドMott/電荷移動絶縁体状態の可能性と、ドーピングと相互作用次第で相関強化された超伝導の可能性を示唆する。

ABSTRACT

A recent paper [Lee {\em et al.}, J. Korean Cryt. Growth Cryst. Techn. {\bf 33}, 61 (2023)] provides some experimental indications that Pb$_{10-x}$Cu$_x$(PO$_4$)$_6$O with $x\approx 1$, coined LK-99, might be a room-temperature superconductor at ambient pressure. Our density-functional theory calculations show lattice parameters and a volume contraction with $x$ -- very similar to experiment. The DFT electronic structure shows Cu$^{2+}$ in a $3d^9$ configuration with two flat Cu bands crossing the Fermi energy. This puts Pb$_{9}$Cu(PO$_4$)$_6$O in an ultra-correlated regime and suggests that, without doping, it is a Mott or charge transfer insulator. If doped such an electronic structure might support flat-band superconductivity or an correlation-enhanced electron-phonon mechanism, whereas a diamagnet without superconductivity appears to be rather at odds with our results.

研究の動機と目的

• Pb9Cu(PO4)6O を巡る室温超伝導指標の報告を踏まえ、理論的理解を動機づける。
• Cu置換とO配置が格子パラメータ、体積、電子構造に与える影響を決定する。
• 未ドープ系がMott絶縁体または電荷移動絶縁体であり、ドーピングが金属的挙動を生み得るかを評価する。
• 将来の多体計算（DFT+U, DMFT）および可能な超導機構の基準を提供する。
• 観測実験結果の非超伝導的説明の可能性を明らかにする。

提案手法

• VASPによる密度汎関数理論計算（交換-相関にはGGA-PBESol）を用いる。
• Pb10(PO4)6OとPb9Cu(PO4)6Oの構造緩和を行い、実験と比較して格子パラメータを評価する。
• 2x2x1スーパセルにおけるCu部位のエネルギーと酸素配置を探索し、熱力学的に安定なドーパント位置を同定する。
• Cu dおよびO pの寄与に焦点を当てたバンド構造および投影状態密度の電子構造解析。
• 相関効果の定性的な議論とDFT+U磁性状態の検討。
• 代替コード（WIEN2K）による補足検証とCu-dバンドのWannier投影。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pb10(PO4)6O は標準のDFTで絶縁性を示すのか、そのギャップの大きさはいくつか。
• RQ2 CuがPbを置換した場合（x≈1）フェルミエネルギーを横切る帯の電子的性質はどうなるか。
• RQ3 Cu由来の帯が平坦かどうか、電子相関U/Wへの影響は何か。
• RQ4 ドーピングされた構造 Pb9Cu(PO4)6O においてどのCuおよびO配置がエネルギ的に安定か。
• RQ5 計算された電子構造から得られる超伝導性または非超伝導性の機構として、どのような可能性があるか。

主な発見

• 親化合物の Pb10(PO4)6O は DFTで約 2.3 eV のバンドギャップを持つ絶縁体である。
• Cu置換はフェルミエネルギーを横切る2つの非常に平坦なCu由来バンドを導入し、帯幅は約 120 meV。
• Cuは実質的に Cu2+ 3d9 構成を取り、この平坦帯はCu–Oの強い混成と小さなCu–Cuホッピング（約 10 meV）によって生じる。
• ドーピングなしでは、U/W が数程度と超相関領域にあり、ハバード帯の位置に依存してMottまたは電荷移動絶縁体の図式と一致する。
• Cuは extra O から遠い Pb(1) の位置を好んで占有し、2x2x1スーパセル中の extra O 配置は著しい無秩序傾向を示し、格子パラメータと局所的化学に影響を与える。
• 予測される電子構造は、ドーピング時の平坦帯超導や相関強化型BCS様機構の可能性を支持する一方、DFTの結果からは反磁性は有利ではない。