[論文レビュー] Oxygen hole content, charge-transfer gap, covalency, and cuprate superconductivity

N. Kowalski, Sidhartha Dash+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 89被引用数 61

ひとこと要約

本研究では、細胞ダイナミカル平均場理論（CDMFT）を用いて三バンド Hubbard モデルを解き、高Tc超伝導体で観測された酸素空孔濃度の上昇とより大きな電荷移動ギャップが、モデルの共有結合性と電子構造から自然に生じることを示した。主な発見は、Cu-O共有結合性が強い超伝導体では、酸素上のホールの拡散が最適化され、電荷移動ギャップが安定化されるため、超伝導転移温度が向上することである。

ABSTRACT

Experiments have shown that the families of cuprate superconductors that have the largest transition temperature at optimal doping also have the largest oxygen hole content at that doping. They have also shown that a large charge-transfer gap, a quantity accessible in the normal state, is detrimental to superconductivity. We solve the three-band Hubbard model with cellular dynamical mean-field theory and show that both of these observations follow from the model. Cuprates play a special role amongst doped charge-transfer insulators of transition metal oxides because copper has the largest covalent bonding with oxygen.

研究の動機と目的

• 最適ドーピングされた超伝導体における高い酸素空孔濃度と高いTcの間の実験的相関を説明すること。
• 電荷移動ギャップがドーピングされた超伝導体における超伝導転移温度に与える影響を調査すること。
• Cu-O共有結合性が電子構造および超伝導特性を決定づける役割を明確にすること。
• 実験的に観測された酸素空孔濃度および電荷移動ギャップを、微視的多体理論と一致させること。

提案手法

• 2×2 Cuクラスタ上で、正確な対角化を用いて細胞ダイナミカル平均場理論（CDMFT）を用いて三バンド Emery-VSA Hubbard モデルを解く。
• クラスタと自己無撞着に混合する非相互作用電子のバスを用い、d波超伝導性に不可欠な局所的相関を捉える。
• Cu 3d および O 2p 軌道を同等に扱い、サイトエネルギー εd および εp を用い、Cu-O 飛び遷移（tpd）、O-O 飛び遷移（tpp）、Cu 上での局在的クーロン反発（U）を含む。
• 無限大のバスに埋め込まれたクラスタに対して、連続時間量子モンテカルロ法を用いて絶対零度および有限温度での計算を実施する。
• 電子構造への混合の影響を調査するため、イオン的（εpが大きい）および共有的（εpが小さい）なパラメータ領域を区別する。
• スペクトル関数、状態密度、酸素および銅上の空孔濃度を計算し、電荷移動ギャップおよび Zhang-Rice 三重項状態バンドの分析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ最適ドーピングで最高のTcを示す超伝導体が、同時に最大の酸素空孔濃度を示すのか？
• RQ2 電荷移動ギャップは、超伝導体における超伝導転移温度にどのように影響するのか？
• RQ3 Cu-O共有結合性は、超伝導体の電子構造および超伝導特性を決定づける役割を果たすのか？
• RQ4 なぜ酸素空孔濃度がTcと相関しており、それは電荷移動ギャップとどのように関連しているのか？

主な発見

• モデルは、実験的相関である高い酸素空孔濃度と高いTcの関係を再現し、共有結合性の増加が酸素上でのホールの拡散を促進することを示した。
• 大きな電荷移動ギャップは超伝導性にとって有害であることが判明し、実験的STMおよびNMRデータと整合的であった。
• 共有的領域（εpが小さい）では、下部 Hubbard バンドが抑制され、フェルミ準位付近の主要な特徴として Zhang-Rice 三重項状態バンドが顕著になった。
• 酸素空孔濃度（2np）は共有結合性に伴い増加し、異なる超伝導体群におけるTcの観測傾向を説明できた。
• 強いCu-O混合化によって電荷移動ギャップが安定化され、その大きさはTcと逆相相関であった。これはギャップサイズと超伝導ペアリング強度のトレードオフを示唆している。
• モデルは、強力なCu-O共有結合性のおかげで、ドーピングされた電荷移動絶縁体の中でも特異的であることを示した。この共有結合性により、最適なホール分布と高いTcが実現可能になった。