[論文レビュー] Landscape of competing stripe and magnetic phases in cuprates

Yubo Zhang, Christopher Lane+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、調整可能なパrameter（例：Hubbard U など）を必要としない強力に制約され適切にノルム化された密度汎関数を用いて、YBa2Cu3O6 および YBa2Cu3O7 におけるストライプ相と磁気的相の競合を第一原理的に研究している。格子自由度がこれらの相を安定化させる上で不可欠であることが明らかになった。本研究は、銅酸化物における複雑な量子相をモデル化するためのパrameterフリーなフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Realistic modeling of competing phases in complex quantum materials has proven extremely challenging. For example, much of the existing density-functional-theory-based first-principles framework fails in the cuprate superconductors. Various many-body approaches involve generic model Hamiltonians and do not account for the couplings between spin, charge, and lattice. Here, by deploying the recently constructed strongly-constrained-and-appropriately-normed density functional, we show how landscapes of competing stripe and magnetic phases can be addressed on a first-principles basis in YBa2Cu3O6 and YBa2Cu3O7 as archetype cuprate compounds. We invoke no free parameters such as the Hubbard U, which has been the basis of much of the cuprate literature. Lattice degrees of freedom are found to be crucially important in stabilizing the various phases.

研究の動機と目的

• 第一原理的手法を用いて、銅酸化物超伝導体におけるストライプ相と磁気的相の競合を扱う挑戦に取り組むこと。
• 標準的密度汎関数理論やモデルハミルトニアンが、銅酸化物におけるスピン-電荷-格子結合を捉えられていないという限界を克服すること。
• 一般的に用いられるが予測的精度に欠ける調整可能なパrameter（例：Hubbard U）に依存しないようにすること。
• YBa2Cu3O6 および YBa2Cu3O7 におけるさまざまな電子的相を安定化させる格子自由度の役割を調査すること。
• 複雑な酸化物における競合する量子相を研究するためのパrameterフリーで第一原理的なフレームワークを確立すること。

提案手法

• 電子相関効果を記述するために、最近開発された強力に制約され適切にノルム化された（SCAN）密度汎関数を用いる。
• Hubbard U などの自由パrameterを導入せずに、YBa2Cu3O6 および YBa2Cu3O7 における第一原理的電子構造計算を実施する。
• 全エネルギーと電子構造の計算を通じて、さまざまなストライプ相および磁気的相の安定性を分析する。
• 相の競合に与える影響を評価するために、計算に格子自由度を明示的に含める。
• 密度汎関数を自己無撞着に用いて、銅酸化物系におけるスピン、電荷、格子反応を決定する。
• 全エネルギー差と電子構造的特徴に基づいて、異なる相の相対的安定性を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整可能なパrameter（例：Hubbard U）を必要としないパrameterフリーな第一原理的手法は、銅酸化物における競合するストライプ相と磁気的相を正確に記述できるか？
• RQ2 格子自由度は、YBa2Cu3O6 および YBa2Cu3O7 におけるストライプ秩序および磁気的秩序の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 強力に制約され適切にノルム化された密度汎関数による結果は、モデルハミルトニアンや DFT+U による結果とどのように比較できるか？
• RQ4 本研究で対象とした2種類の銅酸化物において、さまざまなストライプ相および磁気的相の相対的安定性はいかほどか？
• RQ5 Hubbard U のような調整可能なパrameterが存在しない状況でも、物理的に意味のあるかつ定量的に信頼できる相図が得られるか？

主な発見

• 強力に制約され適切にノルム化された密度汎関数は、Hubbard U などの調整可能なパrameterを必要とせず、YBa2Cu3O6 および YBa2Cu3O7 における競合するストライプ相と磁気的相を的確に記述できた。
• 格子自由度がさまざまな電子的相を安定化させる上で極めて重要であることが判明し、強い電子-格子結合が示唆された。
• 本手法は、ストライプ秩序や反強磁性秩序を含む、銅酸化物における既知の相競合パターンを高い一貫性で再現した。
• 計算された相の安定性の傾向は、実験的観察と整合的であり、本手法の予測的パワーを裏付けた。
• 自由パrameterが存在しないことで、複雑な酸化物における電子的相のより強固で一般化可能な記述が可能になった。
• スピン秩序や電荷秩序が支配的であっても、銅酸化物における量子相のモデル化において格子効果を無視することはできないことが、本結果から示された。