[論文レビュー] Metallization and Spin Fluctuations in Cu-doped Lead Apatite

Yang Sun, Kai‐Ming Ho+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2023

Theoretical and Computational Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理的DFTおよびRPA計算を用いて銅ドープリン酸土ガラス（LK99）を調査し、Pb2サイトへのCu置換が局在的で剛体的な強磁性Cu-Oクラスターを形成する半導体状態を誘発することを明らかにした。一方、Pb1置換では金属的状態が生じる。磁気的不規則性を示す磁気的クラスター間の長距離秩序がなく、スピンガラス的挙動を示す。量子スピン揺らぎは局在スピンモーメントを安定化させ、金属的および絶縁的相の競合が長距離磁気的秩序なしに生じることを示唆している。

ABSTRACT

An electronic structure and magnetic properties analysis of the recently proposed Cu-doped lead apatite is performed. We show that electronic structures of differently Cu-substituted structures are characterized by localized molecular Cu-O bands at or near the Fermi level. The Cu substitutions can happen at both Pb1 and Pb2 sites, leading to metallic and semiconducting states differently. The electronic states in these bands are highly unstable magnetically and form clusters of rigidly ferromagnetically coupled magnetic moments on Cu and neighboring oxygen atoms with a total moment of about 1 $μ_B$. The ground state of uniformly Cu-doped lead apatite appears to be magnetic and semiconducting. The non-uniform distribution of two Cu atoms at the nearest Pb2 sites leads to an antiferromagnetic semiconducting state with formation energy close to uniformly distributed Cu configurations. The inclusion of quantum spin fluctuations confirms the stability of magnetic Cu-O clusters. Our calculations revealed the absence of the long-range magnetic order between uniformly distributed Cu-O clusters, creating the spin glass type of system.

研究の動機と目的

• 銅ドープリン酸土ガラス（LK99）における金属的および半導体的挙動の電子的および磁気的起源を解明すること。
• Pb1およびPb2サイトにおける異なるCuドーピング配置の安定性および電子構造を特定すること。
• 局在的磁気的モーメントおよびスピン揺らぎが超伝導的または磁気的相を安定化または不安定化させる役割を調査すること。
• 長距離磁気的秩序の可能性およびCu-Oクラスター間の磁気的相互作用の性質を評価すること。
• スピン揺らぎの存在下での金属的および半導体的基底状態の競合を評価すること。

提案手法

• VASPを用いたプロジェクター付加重波（PAW）法を用いた第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算。PBE、LDA、LDA+U関数を用いる。
• 520 eVの運動エネルギー截面および細かいkポイントサンプリング（2π×0.017 Å⁻¹）を用いて構造最適化および電子構造計算を実施。
• スピン感受率および交換結合パラメータは、混合積基底セットを用いた自作FLAPWコードにより計算。
• 量子スピン揺らぎを含めるためにランダム位相近似（RPA）を用い、磁気的安定性への影響を評価。
• スティーナー・モデルを用いてCurie温度を推定し、磁気的モーメントの局在的・拡散的性質を評価。
• 異なるCuドーピング配置の形成エネルギーを比較し、熱力学的安定性および配列傾向を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CuがPb1サイトとPb2サイトに置換された場合の銅ドープリン酸土ガラスの電子構造および安定性はいかなるものか？
• RQ2 Cuおよび周囲の酸素原子に形成される局在的磁気的モーメントはどのように生成され、それらの磁気的結合挙動はどのようなものか？
• RQ3 スピン揺らぎが銅ドープリン酸土ガラスにおける局在的磁気的モーメントの安定化または抑制に果たす役割は何か？
• RQ4 この系は長距離磁気的秩序を示すか、それとも絶対零度でスピンガラス的挙動を示すか？
• RQ5 異なるCuドーピング配置が金属的および半導体的相の共存にどのように影響を与えるか？

主な発見

• Pb2サイトへのCu置換は、約0.4 eVのバンドギャップを示す半導体的基底状態をもたらすが、Pb1置換では金属的状態が生じる。
• Fermi準位付近に局在的で分子様のCu-Oバンドが形成され、総磁気モーメントが約1 μBの剛体的強磁性CuO3クラスターを形成する。
• 長距離磁気的秩序が存在しないにもかかわらず強い局在的モーメントを示すため、T=0Kでスピンガラス的挙動を示す。
• RPA計算により、量子スピン揺らぎがCuO3クラスター上の局在的磁気的モーメントを破壊しないことが確認され、それらの安定性が裏付けられた。
• スティーナー温度は2500–3000 Kと推定され、Cu磁気的モーメントの局在的性質および強磁性クラスターの頑健性を支持する。
• 近隣のPb2サイトにおける非均一なCu分布は、反強磁性半導体的状態をもたらすが、均一分布配置とほぼ同等の形成エネルギーを示し、配列の強い傾向がないことを示唆している。