[논문 리뷰] Electronic structure of the putative room-temperature superconductor Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O

Liang Si, Karsten Held|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 01.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 45인용 수 12

한 줄 요약

DFT 계산에서 Pb9Cu(PO4)6O은 Cu 치환에 따라 페르미 에너드를 가로지르는 두 개의 ultra-narrow Cu 유래 flat band가 나타나는 반열도성(parent) 화합물을 보이고, 도핑과 상호작용에 따라 상관관계-강화 초전도 가능성 및 도핑에 따른 금성-이온도 대역을 제시한다.

ABSTRACT

A recent paper [Lee {\em et al.}, J. Korean Cryt. Growth Cryst. Techn. {\bf 33}, 61 (2023)] provides some experimental indications that Pb$_{10-x}$Cu$_x$(PO$_4$)$_6$O with $x\approx 1$, coined LK-99, might be a room-temperature superconductor at ambient pressure. Our density-functional theory calculations show lattice parameters and a volume contraction with $x$ -- very similar to experiment. The DFT electronic structure shows Cu$^{2+}$ in a $3d^9$ configuration with two flat Cu bands crossing the Fermi energy. This puts Pb$_{9}$Cu(PO$_4$)$_6$O in an ultra-correlated regime and suggests that, without doping, it is a Mott or charge transfer insulator. If doped such an electronic structure might support flat-band superconductivity or an correlation-enhanced electron-phonon mechanism, whereas a diamagnet without superconductivity appears to be rather at odds with our results.

연구 동기 및 목표

• Pb9Cu(PO4)6O를 보고된 실온 초전도 indicatiors를 염두에 두고 이론적 이해를Motivate한다.
• Cu 치환과 O 위치가 격자 파라미터, 부피 및 전자 구조에 미치는 영향을 결정한다.
• 무도핑 시스템이 Mott 또는 전하 전달 절연체인지 여부를 평가하고 도핑이 금속적 거동을 어떻게 가능하게 하는지 분석한다.
• 향후 다체 계산(DFT+U, DMFT) 및 가능한 초전도 메커니즘에 대한 기초를 제공한다.
• 관찰된 실험 결과에 대한 비초전도적 가능성 있는 설명을 명확히 한다.

제안 방법

• GGA-PBESol 교환-상관 함수형을 사용한 VASP를 이용한 밀도 범함수 이론 계산.
• Pb10(PO4)6O 및 Pb9Cu(PO4)6O의 결정 구조 이완을 통해 실험과의 격자 파라미터를 비교.
• 에너지가 높은 위치의 도펀트 위치를 식별하기 위해 2x2x1 초셀에서 Cu 위치 에너지 및 산소 구성의 탐색.
• Cu d 및 O p 기여에 초점을 맞춘 밴드 구조 및 투영된 상태 밀도(Projected DOS) 분석.
• 상관 효과에 대한 정성적 논의와 DFT+U 자성 상태의 고려.
• Cu-d 밴드에 대해 Wannier 프로젝션 및 대안 코드(WIEN2K)로 보강 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pb10(PO4)6O가 표준 DFT에서 절연체이며 간격은 얼마인가?
• RQ2 Cu가 Pb를 치환했을 때 페르미 에너지를 가로지르는 밴드의 전자 특성은 무엇인가( x≈1 )?
• RQ3 Cu 유래 밴드가 평평하고 전자 상관관계 U/W에 대한 시사점은 무엇인가?
• RQ4 도핑된 구조 Pb9Cu(PO4)6O에서 어떤 Cu 및 O 구성이 energetically 유리한가?
• RQ5 계산된 전자 구조에서 가능한 초전도 또는 비초전도 기전은 무엇인가?

주요 결과

• 무정도 Pb10(PO4)6O은 DFT에서 약 2.3 eV의 밴드갭을 갖는 절연체이다.
• Cu 치환은 페르미 에너지에 걸쳐 두 개의 매우 평평한 Cu 유도 밴드를 도입하며 대역폭은 약 120 meV이다.
• Cu는 사실상 Cu2+ 3d9 구성으로 평가되며 이 평평한 밴드는 Cu–O 혼성화가 강하고 Cu–Cu 이웃 hopping은 약 ~10 meV로 작다에서 기인한다.
• 도핑 없이 시스템은 초상관화 regimes(U/W ~ several)에서 Mott 또는 전하 전달 절연자 그림에 부합한다.
• 도핑이 없는 2x2x1 초셀에서 Extra O 구성은 불순도 경향을 보이며 Cu가 Pb(1) 위치에 우선 차지하며 이는 격자 파라미터 및 국소 화학에 영향을 준다.
• 예측된 전자 구조는 도핑 시 평평한 밴드 초전도성 또는 상관-강화 BCS 계열 메커니즘의 가능성을 지지하는 반면, DFT 결과로는 이온 자기는 바람직하지 않다.