[论文解读] Landscape of competing stripe and magnetic phases in cuprates

Yubo Zhang, Christopher Lane+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 18被引用 3

一句话总结

本文采用强约束且适当归一化的密度泛函理论，对YBa2Cu3O6和YBa2Cu3O7中竞争的条纹相与磁性相进行了从头算研究，无需引入可调参数（如Hubbard U）。研究结果表明，晶格自由度在稳定这些相中起着关键作用，为铜氧化物中复杂量子相的建模提供了一个无参数的框架。

ABSTRACT

Realistic modeling of competing phases in complex quantum materials has proven extremely challenging. For example, much of the existing density-functional-theory-based first-principles framework fails in the cuprate superconductors. Various many-body approaches involve generic model Hamiltonians and do not account for the couplings between spin, charge, and lattice. Here, by deploying the recently constructed strongly-constrained-and-appropriately-normed density functional, we show how landscapes of competing stripe and magnetic phases can be addressed on a first-principles basis in YBa2Cu3O6 and YBa2Cu3O7 as archetype cuprate compounds. We invoke no free parameters such as the Hubbard U, which has been the basis of much of the cuprate literature. Lattice degrees of freedom are found to be crucially important in stabilizing the various phases.

研究动机与目标

• 解决使用从头算方法对铜氧化物超导体中竞争的条纹相与磁性相进行建模的挑战。
• 克服标准密度泛函理论和模型哈密顿量在捕捉铜氧化物中自旋-电荷-晶格耦合方面的局限性。
• 消除对Hubbard U等可调参数的依赖，这些参数虽常用但缺乏预测准确性。
• 研究晶格自由度在稳定YBa2Cu3O6和YBa2Cu3O7中各种电子相中的作用。
• 建立一个无参数、从头算的框架，用于研究复杂氧化物中竞争的量子相。

提出的方法

• 采用近期发展的强约束且适当归一化（SCAN）密度泛函理论，以描述电子关联效应。
• 在YBa2Cu3O6和YBa2Cu3O7上执行无自由参数（如Hubbard U）的从头算电子结构计算。
• 通过计算总能量和电子结构，分析各种条纹相与磁性相的稳定性。
• 在计算中显式包含晶格自由度，以评估其对相竞争的影响。
• 利用密度泛函理论自洽地确定铜氧化物体系中的自旋、电荷和晶格响应。
• 基于总能差和电子结构特征，比较不同相的相对稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 无参数的从头算方法能否准确描述铜氧化物中竞争的条纹相与磁性相？
• RQ2 晶格自由度在稳定YBa2Cu3O6和YBa2Cu3O7中条纹序与磁序方面起什么作用？
• RQ3 与模型哈密顿量或DFT+U方法相比，强约束且适当归一化密度泛函理论的结果有何异同？
• RQ4 在所研究的两种铜氧化物中，不同条纹相与磁性相的相对稳定性如何？
• RQ5 在不使用Hubbard U等可调参数的情况下，是否仍能获得物理上合理且定量可靠的相图？

主要发现

• 强约束且适当归一化的密度泛函理论在无需引入Hubbard U等可调参数的情况下，成功描述了YBa2Cu3O6和YBa2Cu3O7中竞争的条纹相与磁性相。
• 研究发现晶格自由度在稳定各种电子相中起着关键作用，表明存在强烈的电子-晶格耦合。
• 该方法高度一致地再现了铜氧化物中已知的相竞争模式，包括条纹序和反铁磁序。
• 计算得到的相稳定性趋势与实验观测一致，验证了该方法的预测能力。
• 由于无自由参数，该方法对复杂氧化物中电子相的描述更具鲁棒性和可迁移性。
• 结果表明，在建模铜氧化物中的量子相时，即使在自旋和电荷序占主导地位的体系中，晶格效应也不能被忽略。