コバルト酸化物の電子状態と超伝導の理論

Na_xCoO_2・yH_2Oにおける超伝導の発見を契機に、その母物質Nax_CoO_2の電子状態が精力的に研究され、顕著なドーピング依存性が明らかにされつつある。特にx=0.5では、Naの1次元整列のもとで、面内反強磁性(T_<c1>-=87K)と金属絶縁体転移(T_<c2>=53K)の興味ある2段転移を示すが、後者の起源については未だ明らかにされていない。そこで本研究では、2次元三角格子11バンドd-p模型を用いて層状コバルト酸化物Na_<0.5>CoO_2のCoO_2面の電子状態を調べた。Tight-bindingのパラメータはSinghのLDAバンド計算の結果を再現するように決め、Coサイトのクーロン相互作用は、軌道内及び軌道間の直接項U,U'、交換相互作用J、及びペアトランスファーJ'をHartree-Fock近似の範囲内で考慮した。さらに、x=0.5で起こるNaイオンの1次元整列の効果を、CoO_2面におけるCoの原子準位の変化として取り入れた。Naの1次元整列の効果によってフェルミ面のネスティングが増加し、フラストレーションが解消され反強磁性が出現することを明らかにした。得られた反強磁性秩序はパラメータ依存性が大きく、大きな状態密度を持つ金属的な反強磁性から、半金属的、絶縁体的な物まで現れる。さらに、T_<c2>における金属絶縁体転移の起源として、Naの1次元整列の方向とは垂直な方向の電荷秩序である可能性を考え、最近接クーロン相互作用Vを考慮した計算を行った。その結果、およそUの半分程度のVを入れる事で反強磁性と軌道秩序を伴った電荷秩序の共存解を得た。反強磁性転移では態密度はほとんど変化しないが、加えて軌道秩序を伴った電荷秩序が起きると急速に状態密度が減少し、実験結果とコンシステントである。本研究では、T_<c2>における金属絶縁体転移の起源として、軌道秩序を伴った電荷秩序転移である可能性を提案した。

Na_xCoO_2・yH_2Oにおける超伝導の発見を契機に、その母物質Nax_CoO_2の電子状態が精力的に研究され、顕著なドーピング依存性が明らかにされつつある。特にx=0.5では、Naの1次元整列のもとで、面内反強磁性(T_<c1>-=87K)と金属絶縁体転移(T_<c2>=53K)の興味ある2段転移を示すが、後者の起源については未だ明らかにされていない。そこで本研究では、2次元三角格子11バンドd-p模型を用いて層状コバルト酸化物Na_<0.5>CoO_2のCoO_2面の電子状態を調べた。Tight-bindingのパラメータはSinghのLDAバンド計算の結果を再現するように決め、Coサイトのクーロン相互作用は、軌道内及び軌道間の直接項U,U'、交換相互作用J、及びペアトランスファーJ'をHartree-Fock近似の範囲内で考慮した。さらに、x=0.5で起こるNaイオンの1次元整列の効果を、CoO_2面におけるCoの原子準位の変化として取り入れた。Naの1次元整列の効果によってフェルミ面のネスティングが増加し、フラストレーションが解消され反強磁性が出現することを明らかにした。得られた反強磁性秩序はパラメータ依存性が大きく、大きな状態密度を持つ金属的な反強磁性から、半金属的、絶縁体的な物まで現れる。さらに、T_<c2>における金属絶縁体転移の起源として、Naの1次元整列の方向とは垂直な方向の電荷秩序である可能性を考え、最近接クーロン相互作用Vを考慮した計算を行った。その結果、およそUの半分程度のVを入れる事で反強磁性と軌道秩序を伴った電荷秩序の共存解を得た。反強磁性転移では態密度はほとんど変化しないが、加えて軌道秩序を伴った電荷秩序が起きると急速に状態密度が減少し、実験結果とコンシステントである。本研究では、T_<c2>における金属絶縁体転移の起源として、軌道秩序を伴った電荷秩序転移である可能性を提案した。