[论文解读] Magnetic Properties and Spin-orbit Coupling induced Semiconductivity in LK-99

Hua Bai, Lei Gao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2023

Crystal Structures and Properties被引用 4

一句话总结

本研究表明，自旋-轨道耦合（SOC）将预测为平坦能带金属的Pb9Cu(PO4)6O（LK-99）转变为磁性半导体，解决了先前忽略自旋-轨道耦合的从头算计算与实验观测之间的矛盾。在引入SOC后，该材料在铁磁态下表现为间接带隙半导体（带隙292 meV），在反铁磁-A态下表现为直接带隙半导体（带隙300 meV），且在电子掺杂后费米能级处出现一个宽度极窄的平坦能带（25 meV）。

ABSTRACT

Recent reports of a possible room-temperature superconductor called LK-99 have generated a lot of attention worldwide. In just a few days, a large amount of experimental works attempted to reproduce this sample and verify its properties. At the same time a large amount of theoretical works have also been reported. However, many experiments have drawn different conclusions, and many theoretical results are not consistent with experimental results. For one of the structures of LK-99 with the chemical formula as Pb9Cu(PO4)6O, many first-principles calculations did not consider spin-orbit coupling and concluded that it is a flat band metal. However, spin-orbit coupling is often not negligible in systems with heavy elements, and LK-99 contains a large amount of heavy element Pb. We performed calculations of electronic structure of Pb9Cu(PO4)6O with spin-orbit coupling, and the results show that it's not a metal but a semiconductor. This is consistent with many experimental results. In the ferromagnetic state Pb9Cu(PO4)6O is an indirect-bandgap semiconductor with a bandgap of 292 meV. Moreover, its conduction band is a flat band. At an electron doping level of 0.5 e/unit cell, Pb9Cu(PO4)6O becomes metallic and has a flat band with a width of only 25 meV at the Fermi level in the ferromagnetic state. While in the antiferromagnetic-A state, Pb9Cu(PO4)6O is a direct-bandgap semiconductor with a bandgap of 300 meV. As a magnetic narrowband semiconductor, Pb9Cu(PO4)6O may have potential application value in the field of optoelectronic device, photocatalytic, photodetector and spintronics device.

研究动机与目标

• 解决先前忽略自旋-轨道耦合的从头算计算与LK-99电子性质实验观测之间的不一致。
• 鉴于存在重原子Pb，研究自旋-轨道耦合在Pb9Cu(PO4)6O（LK-99的关键组分）中的作用。
• 确定在有无自旋-轨道耦合条件下LK-99的电子结构与磁性基态。
• 探讨电子掺杂对电子性质的影响，特别是费米能级附近平坦能带的形成。

提出的方法

• 采用含Hubbard U校正（U = 4 eV）的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算进行电子结构分析。
• 在计算中引入自旋-轨道耦合（SOC），以评估其对能带色散和带隙打开的影响。
• 使用2×2×2超胞分析多种磁性构型：铁磁态（FM）、反铁磁-A态（AFM-A）、AFM-C和AFM-G。
• 计算投影态密度（PDOS），以识别轨道对电子态的贡献。
• 评估电子掺杂（0.5 e/晶胞）对费米能级附近电子结构的影响。
• 通过比较不同磁性态的总能量确定基态，同时考虑SOC与U校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在第一性原理计算中引入自旋-轨道耦合是否会将LK-99的预测金属特性转变为半导体？
• RQ2 在包含自旋-轨道耦合时，Pb9Cu(PO4)6O的磁性基态为何？
• RQ3 电子掺杂如何影响LK-99铁磁态下费米能级附近平坦能带的形成？
• RQ4 在包含自旋-轨道耦合的反铁磁-A态下，LK-99的带隙大小与类型（直接/间接）为何？
• RQ5 当忽略与包含自旋-轨道耦合时，LK-99的电子性质有何不同？

主要发现

• 引入自旋-轨道耦合后，Pb9Cu(PO4)6O由预测的平坦能带金属转变为铁磁态下的间接带隙半导体，带隙为292 meV。
• 在反铁磁-A态下，该材料为直接带隙半导体，带隙为300 meV。
• 铁磁态下的导带为平坦能带；在0.5 e/晶胞的电子掺杂下，其在费米能级处形成一个仅25 meV宽的极窄平坦能带，表现为金属特性。
• LK-99的基态为反铁磁-A态，不同磁性构型间能量差异微小，表明存在磁不稳定性。
• 自旋-轨道耦合诱导了平坦能带的能带反转，导致显著的带隙打开，从而弥合了理论预测与实验观测之间的差距。
• 该材料表现出约1 μB的磁矩，且磁各向异性易轴沿c轴方向。