[論文レビュー] First-principles study of electronic structure of $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10}$

J. A. Camargo-Martínez, Diego Espitia+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この第一原理的研究では、Wien2kにおけるFLAPW+lo法を用いたLDAにより、テトラゴナルなBi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀（Bi-2223）の詳細な電子状態構造解析が行われた。フェルミ表面には明確なパッチが存在し、特にBi-Oパッチ問題が明らかになり、ARPES実験と良好な一致を示しており、CdSドープされたBi-2223複合材料で観察された再入超伝導性の理解に寄与している。

ABSTRACT

We present for the first time the band structure calculation of $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10}$ compound in the tetragonal structure (space group $I4/mmm$). We used the Local Density Approximation (LDA) as in the Wien2k code. We analyze in detail the band structure and the Fermi surface (FS). Our results are in very good agreement with recent experiments. The FS shows the feature known as the Bi-O pocket problem which we associate with the interaction of the O3 atoms with the Cu2-O2 and Bi-O4 planes. Ceramic $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10}$ stabilized with Pb has been reported as a superconductor with $T_c \sim 100$. CdS microparticles were embedded into the ceramic $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10}$. The composite did show a superconducting phase transition at a lower $T_c \sim 70 K$. At even lower temperatures re-entrant behavior was observed. The sample regain the superconducting state at $\sim 47 K$ [arXiv:1101.0277 [cond-mat.supr-con]]. This effect is not observe in the ceramic alone. This calculation is useful per ser and also can contribute to a better understanding of this particular re-entrant behavior.

研究の動機と目的

• テトラゴナルなBi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀（Bi-2223）のI4/mmm空間群における理論的電子状態構造の最初の研究を実施すること。
• フェルミ表面の特徴、特にBi-Oパッチ問題の起源を明らかにし、酸素および銅酸化物平面との関係を理解すること。
• Cu1-O1平面の電子的寄与を特定し、フェルミ準位における状態密度の増大が果たす役割を解明すること。
• CdS/Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀複合材料で観察された再入超伝導挙動を解釈する理論的根拠を提供すること。
• ビスマスペロブスカイトにおけるCuO₂平面の数とフェルミ準位を横切るバンド数との相関関係を調査すること。

提案手法

• 局所密度近似（LDA）における全ポテンシャル線形化局所平面波＋局所軌道（FLAPW+lo）法を用いた。
• 全電子状態構造計算にWien2kコードを用い、価電子状態にはスカラー相対論的取り扱い、核心状態には完全相対論的取り扱いを適用した。
• 平面波カットオフとしてRmtKMax = 8.0を設定し、角運動量展開にはlmax = 12を用い、Gmax = 25とした。
• ブリユアンゾーン統合に17×17×17のk空間グリッド（非縮約楔内405点）を用いた。
• 実験的構造パrametersから出発し、c/a比および内部座標を最適化した。Rmt値はBi: 2.3、Sr: 2.0、CaおよびCu: 1.9、O: 1.5とした。
• バンド構造、状態密度、フェルミ表面トポロジーを分析し、ARPESデータおよび実験的観察と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi-2223の電子状態構造、特にフェルミ表面は、実験的ARPES測定とどのように一致するか？
• RQ2 フェルミ表面におけるBi-Oパッチ問題の起源は何か？O3、Cu2-O2、およびBi-O4平面とどのように関係しているか？
• RQ3 Bi-2223に存在する追加のCu1-O1平面は、Bi-2212と比較してフェルミ準位における状態密度にどのように寄与するか？
• RQ4 なぜCdS/Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀複合材料は再入超伝導性を示すのか？電子状態構造はこの挙動を説明できるか？
• RQ5 ビスマスペロブスカイトにおいて、CuO₂平面の数とフェルミ準位を横切るバンド数との間に相関関係があるか？

主な発見

• Bi-2223のフェルミ表面は、α、β、γの3つの異なるシートを示し、そのうちα表面が最も強いネスティング特性を示している。
• M̄点付近のBi-Oパッチ（δおよびε）は、小さな閉じた電子的表面であり、δは丸みを帯びた正方形、εは丸みを帯びた長方形の形状を示しており、『Bi-Oパッチ問題』と整合的である。
• ARPES実験で同定された内側および外側のCuO₂平面（IPおよびOP）は、それぞれαおよびβ/γフェルミ表面シートに対応しており、Γ-X方向における運動量差は約0.005 Åである。
• Cu1-O1平面はフェルミ準位における状態密度に0.56状態/eV-原子の寄与を示し、Cu2-O2平面と同等の寄与を示しており、Bi-2212と比較してフェルミ準位における総状態密度を増大させている。
• M̄点におけるBi-Oバンドのフェルミ準位下のエネルギー深さは、CuO₂平面の数に比例して増加し、Bi-2201およびBi-2212でも観察された傾向を支持している。
• 計算されたフェルミ表面トポロジーは、特にノード方向においてARPESデータと良好に一致しており、Bi-2223に対する理論モデルの妥当性が裏付けられている。