[論文レビュー] First-principles study on the electronic structure of Pb$_{10-x}$Cu$_x$(PO$_4$)$_6$O ($x$=0, 1)

Junwen Lai, Jiangxu Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 12

ひとこと要約

本論文は DFT を用いて Pb10(PO4)6O が絶縁体であることを示し、 Cu ドーピングはフェルミ準位 near に二つの平坦帯を誘発する金属化転換を起こし、電子相関と代替ドーパントが LK-99 に関連する電子構造を調整する方法を論じている。

ABSTRACT

Recently, Lee et al. reported the experimental discovery of room-temperature ambient-pressure superconductivity in a Cu-doped lead-apatite (LK-99) (arXiv:2307.12008, arXiv:2307.12037). Remarkably, the superconductivity persists up to 400 K at ambient pressure. Despite strong experimental evidence, the electronic structure of LK-99 has not yet been studied. Here, we investigate the electronic structures of LK-99 and its parent compound using first-principles calculations, aiming to elucidate the doping effects of Cu. Our results reveal that the parent compound Pb$_{10}$(PO$_4$)$_6$O is an insulator, while Cu doping induces an insulator-metal transition and thus volume contraction. The band structures of LK-99 around the Fermi level are featured by a half-filled flat band and a fully-occupied flat band. These two flat bands arise from both the $2p$ orbitals of $1/4$-occupied O atoms and the hybridization of the $3d$ orbitals of Cu with the $2p$ orbitals of its nearest-neighboring O atoms. Interestingly, we observe four van Hove singularities on these two flat bands. Furthermore, we show that the flat band structures can be tuned by including electronic correlation effects or by doping different elements. We find that among the considered doping elements (Ni, Cu, Zn, Ag, and Au), both Ni and Zn doping result in the gap opening, whereas Au exhibits doping effects more similar to Cu than Ag. Our work provides a foundation for future studies on the role of unique electronic structures of LK-99 in superconductivity.

研究の動機と目的

• 母相の Pb10(PO4)6O の電子構造と Cu 採用 LK-99 変種 Pb9Cu(PO4)6O の電子構造を決定する。
• フェルミ準位近傍の平坦帯の起源と軌道特性を特定する。
• Cu ドーピングと電子相関が金属-絶縁体挙動と格子定数に与える影響を評価する。
• Ni, Zn, Ag, Au によるドーピングが带構造と超伝導的特徴の可能性に与える影響を探索する。

提案手法

• PBE 効用関数を用いた密度汎関数理論（DFT）計算。
• Cu の局在 d 電子相関を含む DFT+U（Dudarev スキーム）。
• 磁状態を探るため非スピン極性およびスピン極性計算。
• Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) を PAW 疎核ポテンシャルと 520 eV カットで使用。
• 格子中心 Gamma 点付きグリッド（ relax: 0.03、DOS: 0.02 2pi/Å ）によりブリルアンゾーンを採用。
• O2 の 1/4 占有と Pb1 位への Cu置換を用いた構造モデル。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 母 Pb10(PO4)6O の電子構造は何か。
• RQ2 Cu の Pb1 位置換は带構造をどう変え、絶縁体-金属転移を何故引き起こすのか。
• RQ3 フェルミ準位近傍の平坦帯と関連するヴァン・ホーヴ特異点の軌道起源は何か。
• RQ4 電子相関（DFT+U）とスピン極性は平坦帯と磁性傾向にどう影響するか。
• RQ5 Ni, Zn, Ag, Au といった代替ドーパントは带構造と潜在的超伝導特性にどう影響するか。

主な発見

• Pb10(PO4)6O は非磁性絶縁体で、PBE の間接ギャップは 2.77 eV。
• Cu ドーピング（Pb9Cu(PO4)6O）は 1 つの半充填平坦帯がフェルミ準位を横断し、これより下に完全に占有された平坦帯を持つ金属化転移を誘発する。
• E_F 近傍の 2 本の平坦帯は O2 の O 2p 状態と Cu 3d–O1 2p の混成に由来し、低エネルギーモデルは二帯が必要である。
• 二つの平坦帯には M および L 点で四つのヴァン・ホーヴ特異点が存在し、歪みに対して脆弱な電子構造を示す。
• スピン極性と DFT+U は強磁性的金属解を支持し、Cu/O1 磁モーメントは小さく、帯域幅はスピン極性で modest に減少し、U でわずかに増加する。
• Ni または Zn でドーピングすると带ギャップが開く；Au ドーピングは Ag より Cu に近い影響を示し、Au は平坦帯をわずかに狭め、E_F 近くの DOS を高める。