中科院金属所重磅首发《JMST》：LK-99电子结构的第一性原理研究

导语：

近期，一项突破性的科学发现引起了广泛的讨论和研究兴趣，韩国科学家声称他们成功实现了室温常压超导，这一成果在LK-99铜掺杂的磷灰石铅矿中取得。但是，这个发现引发了一系列问题，例如LK-99的电子结构是什么，铜的作用机制如何，是否有其他元素可以取代铜以达到相似效果。在这篇文章中，我们将从头开始探索这些问题，通过理论计算和详细分析，为我们对LK-99超导性质的理解提供新的视角。

研究背景

LK-99的室温超导性质自从韩国科学家的报道以来一直备受瞩目。据称，LK-99在常压下具有高达400K的超导转变温度，这一发现被广泛认为是超导领域的里程碑。此外，研究小组还提供了详细的样品合成方法，为其他实验室复制他们的结果提供了可能性。尽管存在强有力的实验支持，但有一些关键问题仍待回答，包括LK-99及其母体化合物的电子结构、铜的作用机制，以及是否有其他元素可以取代铜以实现类似的效果。

研究亮点

首次，我们利用第一性原理计算，深入分析了LK-99的电子能带结构和超导电性之间的关系。我们的计算结果揭示了LK-99在费米能级附近存在独特的平带电子结构，这个结构与其他d带超导体有显著不同。此外，我们成功构建了一个低能有效模型，用以描述LK-99的主要电子性质。我们还研究了电子相关性以及不同元素掺杂对平带电子结构的影响。

图文解析

图1展示了LK-99的能带结构和态密度。

在铜掺杂后，LK-99表现出了明显的金属性，费米能级附近出现了一个半填充、非常平坦的能带。这个能带的色散小于0.15eV，形状酷似橄榄球，由电子和空袋组成。值得一提的是，LK-99相对于其他d带超导体，其两个低能带更为平坦。这两个平带源自O2原子的2p轨道与Cu-3d态以及最近邻O1原子的2p轨道的杂化。与此同时，含有掺杂铜原子的层具有导电性，而其他层似乎是绝缘的。

此外，围绕Pb2原子形成的PO4单元也呈现出绝缘特性，导致了沿c轴方向形成的由1/4占据的O2原子介导的一维传导通道。值得注意的是，我们在这两个平带上观察到了四个Valence-Home (VHS)点，这些点源自布里渊区M和L点的鞍点。这些独特的平带可能与LK-99的卓越超导性质有关，值得进一步深入研究。

图2展示了Ni和Zn的掺杂效果。我们发现，Ni和Zn掺杂均导致了带隙的打开。

这一现象可以解释为电子填充的改变。镍相对于铜少一个电子，因此导致费米能级附近的平带从半填充变为完全未填充，从而使LK-99变为无法导电的半导体。而在锌掺杂的情况下，由于锌比铜多一个电子，导致能带完全填充，费米能级上升，因此掺杂锌后的LK-99也表现为绝缘体。进一步研究Ag和Au的掺杂效果发现，金和银作为铜的同族元素，掺杂后都表现出金属导体特性，其能带结构与铜掺杂相似。

不过，有趣的是，Au的掺杂效果更类似于Cu，这可以归因于金掺杂和铜掺杂铅磷灰石之间更接近的体积。

结论展望

综上所述，我们的第一性原理计算揭示了LK-99的电子结构与超导性质之间的关联。未掺杂铜的LK-99母体化合物被证明是一种带有大带隙的绝缘体，而铜的掺杂导致了绝缘体金属转变，伴随着奇异的平带电子结构的出现。这一发现为我们更深入地理解LK-99的超导性质奠定了基础。

尽管如此，仍然需要进一步的实验结果来验证和详细

探讨这一可能性。未来的研究方向包括更多的实验验证和进一步的理论研究，以全面了解LK-99的超导性质及其潜在应用。

总结

本研究通过第一性原理计算，深入探讨了LK-99超导体的电子结构与超导性质之间的联系。我们揭示了未掺杂铜的LK-99母体化合物是一种带隙较大的绝缘体，而铜的掺杂引发了绝缘体到金属的转变，并出现了独特的平带电子结构。