[논문 리뷰] Electronic correlations in promising room-temperature superconductor Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O: a DFT+DMFT study

Dmitry M. Korotin, Dmitry Y. Novoselov외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 08.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 19인용 수 9

한 줄 요약

The paper uses DFT+DMFT to study Pb9Cu(PO4)6O (LK-99), showing Coulomb correlations open a ~0.4 eV gap and that Cu d and extra-O p states form narrow bands near the Fermi level, with electron doping proposed to induce metallicity.

ABSTRACT

We present results of the first investigations on the correlated nature of electronic states that cross the Fermi level in Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O aka LK-99 obtained within the DFT + DMFT approach. Coulomb correlations between Cu-$d$ electrons led to the opening of the band gap between the extra-O $p$ and Cu $d_{xz}/d_{yz}$ states. We state that oxygen $p$ states play a significant role in the electronic properties of LK-99. We also assume that doping with electrons is necessary to turn the stoichiometric Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O into conducting state.

연구 동기 및 목표

• Pb9Cu(PO4)6O의 페르미 준위 근처에서의 상관 전자구조를 조사한다.
• Cu d 및 추가-O p 상태가 전자 특성 형성에 미치는 역할을 평가한다.
• 쿨롱 상관이 DFT 밴드 구조와 잠재적 초전도 특성에 미치는 변화를 평가한다.

제안 방법

• Pb10(PO4)6O 유도 구조에 대해 PBEsol을 사용한 Quantum-ESPRESSO로 DFT 계산을 수행한다.
• Cu d 및 추가-O p 상태를 포괄하는 Wannier 함수로부터 작은 Hubbard 유사 해밀토니안을 구성한다.
• AMULET을 이용하여 CT-QMC(혼합화 확장)로 U = 1.8 eV에서 β = 40 eV^{-1(T ≈ 290 K)}의 DMFT 임퓨리티 문제를 해결한다.
• 전자상관으로 인한 Hubbard 밴드 및 간극 형성을 식별하기 위해 스펙트럴 함수를 분석한다.

Figure 1: Crystal structure of Pb 10 (PO 4 ) 6 O. The O4 site (referenced as extra-O in the text) has partial occupation of 0.25. In Pb 9 Cu(PO 4 ) 6 O copper ion substitutes one of Pb2 ions. Visualized using VESTA [ 19 ] .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pb9Cu(PO4)6O에서 Cu d 및 추가-O p 상태가 페르미 에너지 근처에 좁은 밴드를 형성하는가?
• RQ2 DFT와 비교하여 쿨롱 상관이 근처 페르미 전자구조를 어떻게 수정하는가?
• RQ3 전자 도핑이 스토이키오메트릭 Pb9Cu(PO4)6O를 전도 상태로 만들 수 있는가?
• RQ4 상관해에서 간극의 본질과 자기모멘트의 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 쿨롱 상관은 Pb9Cu(PO4)6O에서 약 0.4 eV의 밴드 간극을 연다.
• Fermi 레벨과 교차하는 Cu d_{xz}/d_{yz}-유도의 두 좁은 밴드의 폭은 약 ~120 meV이다.
• Cu d 상태에 대한 Hubbard 밴드는 대략 -1.1 eV와 0.6 eV에 나타난다.
• 평균 제곱 자기 모멘트는 0.99 μB^2로, 이중 근 degenerate e_g^σ 오비탈에 하나의 구멍에 해당한다.
• 밴드의 상단은 extra-O p_{x}+p_{y} 상태에 의해 형성되어 산소 p 상태가 전자 특성에 중요한 역할을 함을 나타낸다.
• DFT+DMFT 결과는 DFT에 비해 근처 페르미 밴드 구조와 페르미 표면 위상을 실질적으로 수정하며 상관의 중요성을 강조한다.

Figure 2: Energy bands (left panel) and densities of states (right panel) for Pb 10 (PO 4 ) 6 O