[논문 리뷰] Electronic structure and superconductivity in unconventional cuprates Ba$_2$CuO$_{3+\delta}$

Congcong Le, Kun Jiang외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 27.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 Ba₂CuO₃₊δ (δ ≈ 0.2)에서 새로운 면내 산소 도핑 메커니즘을 통해 비보편 초전도성을 나타내며, 이로 인해 압축된 CuO₆ 삼각쌍곡체가 형성되고, 이에 따라 Cu 3d eg 오비탈 분리가 반전됨을 제안한다. 구멍 도핑 x = 2δ에서의 이중 오비탈 강상호작용 모델은 다밴드 반상태 d-파일드 (d±) 초전도 상태를 나타내며, 이는 이중 밴드 모트 절연체에서 Tc 향상을 위한 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

We study the recently discovered $73$K high-$T_c$ superconductor Ba$_2$CuO$_{3+\delta}$ at $\delta\simeq0.2$ grown under high pressure. Neutron experiments find that the polycrystal exhibits a structure similar to La$_2$CuO$_4$, but with dramatically different lattice parameters due to the CuO$_6$ octahedron compression. The resulting crystal field leads to an inverted Cu $3d$ $e_g$ complex with the $d_{x^2-y^2}$ orbital sitting below the $d_{3z^2-r^2}$ orbital and an electronic structure highly unusual compared to the conventional cuprates. We conjecture that the material realizes a new path of in-plane positional oxygen doping, where the doped oxygens create matrices of compressed Ba$_2$CuO$_4$ embedded in Ba$_2$CuO$_{3}$. Constructing a strongly correlated two-orbital model at hole doping $x=2\delta$ of the Cu $d^9$ state, we show that the spin-orbital exchange interactions lead to a multiband antiphase $d$-wave superconducting state, i.e. a nodal $d_\pm$ pairing state. These findings suggest that the class of unconventional cuprates with liberated orbitals as doped two-band Mott insulators can be a direction for realizing high-T$_c$ superconductivity with enhanced transition temperature $T_c$.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 성장된 고Tc 구프레이트 Ba₂CuO₃₊δ (δ ≈ 0.2)의 전자 구조와 초전도 메커니즘을 조사하기 위해.
• CuO₆ 삼각쌍곡체의 격자 압축이 결정장 분리도를 어떻게 변화시키고, d_{x²−y²}/d_{3z²−r²} 오비탈 순서가 반전되는지를 이해하기 위해.
• Ba₂CuO₃ 기반 매트릭스 내에 임베디드된 Ba₂CuO₄ 유사 단위를 형성하는 면내 위치 산소 도핑의 역할을 탐색하기 위해.
• 구멍 도핑된 Cu d⁹ 상태를 위한 이중 오비탈 모델을 수립하고, 그 초전도 성립 대칭에 대한 영향을 규명하기 위해.
• 이러한 오비탈 선택적 도핑이 다밴드 d±-파일드 초전도 상태를 안정화시키고 Tc를 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 다결정 Ba₂CuO₃₊δ (δ ≈ 0.2)의 결정 구조와 격자 상수를 결정하기 위한 중성자 회절 실험.
• CuO₆ 삼각쌍곡체의 압축을 분석하여 유도된 결정장 분리도와 오비탈 에너지 반전을 추론하기 위해.
• 구멍 도핑 x = 2δ에서 Cu 3d⁹ 상태를 위한 강상호작용 이중 오비탈 모델을 수립하고 스핀-오비탈 교환 상호작용에 중점을 두기 위해.
• 이중 오비탈 모델을 사용하여 효과적 해밀토니안을 유도하고 강한 상호작용 조건에서의 성립 대칭을 분석하기 위해.
• 대칭성과 갭 구조 분석을 통해 초전도 성립 상태가 다밴드 반상태 d-파일드 (d±) 상태임을 규명하기 위해.
• 기존의 구프레이트와의 비교를 통해 오비탈 선택적 도핑의 독특함과 Tc 향상에 대한 영향을 부각하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba₂CuO₃₊δ에서 CuO₆ 삼각쌍곡체의 압축은 결정장 분리도를 어떻게 변화시키며, d_{x²−y²}/d_{3z²−r²} 오비탈 순서를 어떻게 반전시키는가?
• RQ2 Ba₂CuO₃₊δ에서의 면내 위치 산소 도핑의 성격은 무엇이며, 어떻게 임베디드된 Ba₂CuO₄ 유사 단위를 형성하는가?
• RQ3 강한 상호작용 조건에서 구멍 도핑된 Cu d⁹ 상태의 이중 오비탈 모델에서 어떤 초전도 성립 대칭이 나타나는가?
• RQ4 이 시스템에서의 오비탈 선택적 도핑 메커니즘이 다밴드 d±-파일드 성립 상태를 안정화시키고 Tc를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 이 메커니즘은 La₂CuO₄와 같은 전통적인 구멍 도핑 구프레이트와 어떻게 다를까?

주요 결과

• Ba₂CuO₃₊δ의 CuO₆ 삼각쌍곡체는 상당히 압축되어 있으며, 이로 인해 d_{x²−y²} 오비탈이 d_{3z²−r²} 오비탈보다 낮은 에너지에 위치하는 역전된 결정장 분리도를 초래한다.
• 이 물질은 새로운 면내 위치 산소 도핑 메커니즘을 실현하여, Ba₂CuO₃ 기반 매트릭스 내에 탄성된 고압 Ba₂CuO₄ 유사 단위를 형성한다.
• x = 2δ에서의 구멍 도핑된 Cu d⁹ 상태를 위한 이중 오비탈 모델은 스핀-오비탈 교환 상호작용이 다밴드 반상태 d-파일드 (d±) 초전도 상태를 선호함을 드러낸다.
• d± 성립 상태는 두 오비탈 간의 오비탈 순서 매개변수의 부호 변화를 특징으로 하며, 이는 노드 대칭성과 다밴드 간섭을 초래한다.
• 이중 밴드 모트 절연체에서의 오비탈 선택적 도핑 경로는 기존의 구프레이트를 초월한 고Tc 초전도성 달성의 새로운 메커니즘을 제시한다.
• 결과적으로 오비탈 분리도와 도핑 위치를 제어하는 것이 비보편 초전도체의 Tc 향상에 실현 가능한 길이 될 수 있음을 시사한다.