銅基量子自旋液體的候選者和銅基高溫超導材料母體在摻雜后的電子結構
劉奇航及其合作者以最近由中科院物理所領銜的研究團隊發現的ZnCu3(OH)6BrF為例,采用修正后的單體平均場密度泛函理論方法,對這一體系的本征和摻雜行為進行了詳盡的模擬。研究發現,ZnCu3(OH)6BrF摻雜后,摻入的電子并沒有成為期待的“自由載流子”,而是局域在一個銅原子周圍,引起了局域形變。這種電子與束縛它的晶格畸變的復合體稱為極化子(如圖一所示)。本征材料的帶隙中形成新的電子態。因此,電子摻雜后,ZnCu3(OH)6BrF并沒有實現半導體到導體的轉變。相比之下,具有類似CuO4局部環境的銅氧化物高溫超導體的母體材料Nd2CuO4顯現除了不同的隨摻雜濃度變化的導電性。研究發現,低摻雜濃度時,銅原子附近形成較為擴展的極化子,因此在高摻雜濃度時,這些極化子之間的躍遷可以使系統導電性大大增加,實現半導體到導體的轉變,與實驗觀測很好地吻合。? 該研究圓滿地解釋了最近實驗上觀測到的Kagome晶格的鋅銅羥基鹵化物在摻雜后并不導電的現象,指出要在量子自旋液體實現超導,僅僅找到量子自旋液體體系是遠遠不夠的,還必須實現有效摻雜,注入一定濃度的“自由載流子”,為耕耘在該領域的實驗工作者提出了新的挑戰和實驗方向。
南方科技大學
2021-04-13