[论文解读] Effective model for Pb$_9$Cu(PO$_4$)$_6$O

Patrick A. Lee, Zhehao Dai|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种针对Pb9Cu(PO4)6O（LK-99）的有效低能模型，将其视为由Cu和O分别占据A、B位点的扭曲蜂窝晶格堆叠结构，强调了Cu d与O p轨道之间存在约0.4 eV的小能隙D的电荷转移机制。尽管跃迁积分较小（t ≈ 80 meV），该体系可能处于金属-绝缘体相变附近，从而在中等关联强度区域实现非传统超导性，其行为类似于有机超导体，但因能量尺度较小，临界温度Tc也较低。

ABSTRACT

The copper substituted Pb-apatite has attracted a great deal of attention recently, due to the claim of the observation of room temperature superconductivity. Based on LDA calculations in the literature, we propose an effective model that describe the low energy physics. It consists of stacks of buckled honeycomb lattices, with Cu and O occupying the A and B sites respectively. In addition to the narrow Cu bands that have been emphasized, we call attention to the relatively small energy separation between the Cu and O orbitals. Thus despite the small hoping energies, the model may be in an interesting regime near the metal insulator transition driven by the charge transfer mechanism. Relationship with cuprates and the organic superconductors are discussed.

研究动机与目标

• 基于LDA能带结构计算，识别Pb9Cu(PO4)6O（LK-99）的低能电子自由度。
• 论证尽管跃迁积分较小，该体系仍可能处于接近金属-绝缘体相变的中等关联区域。
• 提出一种有效哈密顿量模型，其中Cu和O轨道位于扭曲蜂窝晶格上，能够捕捉电荷转移绝缘体区域附近的关键物理行为。
• 探讨该体系中非传统超导性的潜在可能性，类比有机超导体与铜氧化物超导体。
• 强调Cu d与O p轨道之间约0.4 eV的小能隙D在实现强关联效应中的关键作用。

提出的方法

• 有效模型基于LDA能带结构结果构建，重点关注费米能级附近的Cu d与O p能带。
• 系统被建模为Cu位于A位、O位于B位的扭曲蜂窝晶格堆叠结构，破坏了反演对称性。
• 哈密顿量包含Cu d与O p轨道之间的最近邻跃迁，其位能差为D ≈ 0.4 eV。
• 包含O p轨道之间的层间跃迁（t_c），该项倾向于使系统进入三维金属性态。
• 在电荷转移物理框架下分析该模型，D/t ≈ 5表明系统接近金属-绝缘体相变。
• 计划通过数值方法探索该模型，以研究相变附近自旋液体与超导相的行为。

Figure 1: (a) Top view and (b) side view of the structure of Pb 9 Cu(PO 4 ) 6 O, also known as LK-99, leaving out the PO 4 (adapted from [ 6 ] ). Six Pb2 ions form two triangles rotated by 60 degrees and separated by $c/2$ within the unit cell. Oxygen occupies the center of the top triangle as shown

实验结果

研究问题

• RQ1 Pb9Cu(PO4)6O的低能物理能否由Cu与O位于扭曲蜂窝晶格上的模型准确描述？
• RQ2 尽管跃迁积分较小，该体系是否仍处于接近金属-绝缘体相变的中等关联区域？
• RQ3 Cu d与O p轨道之间约0.4 eV的小能隙D在实现强关联效应中起何作用？
• RQ4 该体系是否可能实现非传统超导性？其行为与铜氧化物超导体及有机超导体有何异同？
• RQ5 O轨道之间的层间跃迁如何影响金属性与超导相的稳定性？

主要发现

• 费米能级附近的Cu d能带异常窄，总能带宽度约为0.15 eV，表明跃迁积分较小。
• O p能带位于Cu d能带以下约0.4 eV处，形成约0.4 eV的小电荷转移能隙D，远小于铜氧化物超导体中的D ≈ 2 eV。
• 尽管t较小，但D/t ≈ 5表明该体系可能处于有利于非传统超导性的金属-绝缘体相变附近。
• 该有效模型为在扭曲蜂窝晶格上具有Cu在A位、O在B位的电荷转移系统，包含O轨道之间的层间跃迁。
• 估算的跃迁积分t ≈ 80 meV与有机超导体（如κ-(BEDT-TTF)2Cu(CN)3中的57 meV）处于同一数量级，但能量尺度远小于铜氧化物超导体。
• 由于能量尺度较小，该体系不太可能实现高Tc超导，但可能在金属-绝缘体相变附近表现出如自旋液体或手性超导等奇异物理行为。