https://arxiv.org/abs/2308.11766

 

Symmetry breaking induced insulating electronic state in Pb$_{9}$Cu(PO$_4$)$_6$OThe recent experimental claim of room-temperature ambient-pressure superconductivity in a Cu-doped lead-apatite (LK-99) has ignited substantial research interest in both experimental and theoretical domains. Previous collinear density functional theory (DFT) calculations with the inclusion of an on-site Hubbard interaction $U$ consistently predict the presence of flat bands crossing the Fermi level. This is in contrast to DFT plus dynamical mean field theory calculations, which reveal the Mott insulating behavior for the stoichiometric Pb$_{9}$Cu(PO$_4$)$_6$O compound. However, the existing calculations are all based on the $P6_3/m$ structure, which is argued to be not the ground-state structure. Here, we revisit the electronic structure of Pb$_{9}$Cu(PO$_4$)$_6$O with the energetically more favorable $P\bar{3}$ structure, fully taking into account the crystal structure and electronic symmetry breaking. We examine all possible configurations for Cu substituting the Pb sites. Our results show that the doped Cu atoms exhibit a preference for substituting the Pb2 sites than the Pb1 sites. In both cases, the calculated substitutional formation energies are large, indicating the difficulty in incorporating Cu at Pb sites. We find that most of structures with Cu at the Pb2 site tend to exhibit insulating states, while the structures with both two Cu atoms at the Pb1 sites (except one configuration) are predicted to be metallic by magnetically collinear DFT+$U$ calculations. However, when accounting for the electronic symmetry breaking, some Cu-doped configurations (including the one employed in previous DFT+$U$ calculations) become insulating. Our work highlights the importance of symmetry breaking in obtaining correct electronic state for Pb$_{9}$Cu(PO$_4$)$_6$O, thereby reconciling previous collinear DFT+$U$ and DFT+DMFT calculations.arxiv.org


최근 Cu가 도핑된 납-인회석(LK-99)에서 상온 대기압 초전도가 발생한다는 실험적 주장이 제기되면서 실험 및 이론 영역 모두에서 상당한 연구적 관심을 불러일으키고 있습니다.

현장 허바드 상호작용 U를 포함하는 이전의 선형 밀도 함수 이론(DFT) 계산은 페르미 레벨을 가로지르는 평평한 밴드의 존재를 일관되게 예측합니다. 이는 화학량론적 Pb9Cu(PO4)6O 화합물에 대한 모트 절연 거동을 밝히는 DFT와 동적 평균장 이론 계산과는 대조적입니다.

그러나 기존의 계산은 모두 접지 상태 구조가 아닌 것으로 주장되는 P63/m 구조를 기반으로 합니다.

여기서는 결정 구조와 전자 대칭 파괴를 충분히 고려하여 에너지적으로 더 유리한 P3¯ 구조를 가진 Pb9Cu(PO4)6O의 전자 구조를 재검토합니다.

우리는 Cu가 Pb 사이트를 대체할 수 있는 모든 가능한 구성을 조사합니다.


그 결과, 도핑된 Cu 원자는 Pb1 사이트보다 Pb2 사이트를 대체하는 것을 선호하는 것으로 나타났습니다.

두 경우 모두 계산된 치환 형성 에너지가 크며, 이는 Pb 사이트에 Cu를 통합하는 데 어려움이 있음을 나타냅니다.

Pb2 부위에 Cu가 있는 구조의 대부분은 절연 상태를 보이는 경향이 있는 반면, Pb1 부위에 두 개의 Cu 원자가 모두 있는 구조(한 가지 구성 제외)는 자기 공선 DFT+U 계산에 의해 금속으로 예측됩니다.


그러나 전자 대칭 파괴를 고려할 때 일부 Cu 도핑 된 구성 (이전 DFT + U 계산에 사용 된 구성 포함)은 절연성이 됩니다.


우리의 연구는 Pb9Cu(PO4)6O에 대한 정확한 전자 상태를 얻는 데 대칭성 파괴의 중요성을 강조하여 이전의 선형 DFT+U 및 DFT+DMFT 계산을 조정합니다.




  • 새로운 초전도체: 한국의 물리학자 팀이, Cu가 Pb 자리를 대체한 납-아파타이트(LK-99)에서 상온 상압에서 초전도성과 자기반발성을 관찰했다고 주장했습니다. 이 물질은 라나카이트과 인화구리의 고상반응에 의해 만들어졌습니다.

  • 초전도성의 증거: 팀은 LK-99의 전기저항과 자기특성을 측정하고, 제로저항과 마이스너 효과를 보였다고 말했습니다. 이들은 초전도성의 특징입니다. 또한, 물질이 자석 위에서 부분적으로 부유하는 비디오도 제공했습니다.

  • 대칭성 파괴의 중요성: 이전의 계산들은 모두 P63/m 구조를 기반으로 했지만, 이 구조는 실제로 고온 다형체이고, P3 구조가 ¯ 실제 저온 그라운드 스테이트 구조라고 밝혔습니다. 우리는 P3 구조를 ¯ 사용하여 Pb9Cu(PO4)6O의 전자구조를 재검토하고, 결정구조와 전자구조의 대칭성 파괴를 완전히 고려했습니다.

  • Cu 도핑의 효과: 우리는 Cu가 Pb 자리를 대체할 수 있는 모든 가능한 경우를 조사하고, Cu가 Pb2 자리를 대체하는 것을 선호한다는 것을 발견했습니다. 또한, 대부분의 Cu 도핑 구조가 절연체라는 것을 알았습니다. 이전에 DFT+U 계산에서 예측한 평면대역 금속상태는 대칭성 파괴를 고려하지 않은 결과로서 잘못된 것이었습니다.

  • 비콜리니어 DFT+U와 DFT+DMFT의 비교: 우리는 비콜리니어 DFT+U 계산과 DFT+DMFT 계산을 통해 올바른 절연상태를 얻었습니다. 우리의 연구는 Pb9Cu(PO4)6O에 대한 전자구조 계산에서 대칭성 파괴의 중요성을 강조하고, 이전의 DFT+U 계산과 DFT+DMFT 계산 사이의 불일치를 해소합니다.

  • 전자 밴드 구조와 DOS: 우리는 Cu가 Pb 자리를 대체하는 여러 경우에 대한 전자 밴드 구조와 밀도 상태(DOS)를 그림으로 보여줍니다. 우리는 Cu가 Pb1 자리를 대체하는 경우에 대해 비자기성 DFT, 자기성 콜리니어 DFT+U, 자기성 비콜리니어 DFT+U, 그리고 DFT+U+SOC 방법을 사용하여 비교합니다. 또한, Cu가 Pb2 자리를 대체하는 경우에 대해 비콜리니어 DFT+U 방법을 사용하여 결과를 보여줍니다. 이들 그림은 Pb9Cu(PO4)6O의 전자구조의 특징과 변화를 잘 나타냅니다.



이 논문은 대경달이다!!