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

Congcong Le, Kun Jiang+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本文提出，Ba₂CuO₃₊δ（δ ≈ 0.2）通过一种新颖的面内氧掺杂机制表现出非传统超导性，导致CuO₆八面体压缩，进而反转Cu 3d eg轨道能级分裂。在空穴掺杂x = 2δ下的双轨道强关联模型揭示了一种子带反相d波（d±）配对态，表明在具有轨道选择性掺杂的双带莫特绝缘体中，存在一种增强Tc的新途径。

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 $T_c$.

研究动机与目标

• 研究在高压下生长的高Tc铜氧化物Ba₂CuO₃₊δ（δ ≈ 0.2）的电子结构与超导机制。
• 理解CuO₆八面体中的晶格压缩如何改变晶体场分裂并导致d_{x²−y²}/d_{3z²−r²}轨道序反转。
• 探讨面内位置氧掺杂在Ba₂CuO₃基质中形成嵌入式Ba₂CuO₄类单元的作用。
• 构建空穴掺杂Cu d⁹态的双轨道模型，并确定其对超导配对对称性的意义。
• 确定此类轨道选择性掺杂是否能稳定一种具有增强Tc的多带d±-波超导态。

提出的方法

• 通过中子衍射实验测定多晶Ba₂CuO₃₊δ在δ ≈ 0.2时的晶体结构与晶格参数。
• 分析CuO₆八面体的压缩，推断由此产生的晶体场分裂与轨道能级反转。
• 构建空穴掺杂x = 2δ下Cu 3d⁹态的强关联双轨道模型，重点关注自旋-轨道交换相互作用。
• 利用双轨道模型推导有效哈密顿量，并在强关联条件下分析配对对称性。
• 通过对称性与能隙结构分析，识别出超导配对态为多带反相d波（d±）态。
• 与传统铜氧化物比较，突出轨道选择性掺杂的独特性及其对Tc增强的启示。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ba₂CuO₃₊δ中CuO₆八面体的压缩如何改变晶体场分裂并导致d_{x²−y²}/d_{3z²−r²}轨道序反转？
• RQ2 Ba₂CuO₃₊δ中面内位置氧掺杂的本质是什么？它如何形成嵌入的Ba₂CuO₄类单元？
• RQ3 在强关联条件下，空穴掺杂Cu d⁹态的双轨道模型中，何种超导配对对称性会浮现？
• RQ4 该体系中的轨道选择性掺杂机制是否能导致具有增强Tc的多带d±-波配对态？
• RQ5 该机制与La₂CuO₄等传统铜氧化物中的空穴掺杂有何不同？

主要发现

• Ba₂CuO₃₊δ中的CuO₆八面体显著压缩，导致晶体场分裂反转，其中d_{x²−y²}轨道能量低于d_{3z²−r²}轨道。
• 该材料实现了一种新颖的面内位置氧掺杂机制，在Ba₂CuO₃基质中形成压缩的Ba₂CuO₄单元网络。
• 在x = 2δ下构建的空穴掺杂Cu d⁹态双轨道模型表明，自旋-轨道交换相互作用倾向于形成多带反相d波（d±）超导态。
• d±配对态的特征是两个轨道间序参数符号相反，导致具有节点对称性与多带相干性。
• 在双带莫特绝缘体中，通过控制轨道分裂与掺杂位置实现的轨道选择性掺杂路径，为实现高Tc超导性提供了新机制，超越传统铜氧化物。
• 研究结果表明，调控轨道能级分裂与掺杂位置可成为增强非传统超导体Tc的可行途径。