Second principles simulation of the electronic state of CuO2 layers

Abstract

ABSTRACT: The phenomenon of superconductivity was firstly observed over one century ago, and since then it has become one of the most important fields of study of Solid State Physics. For decades, the BCS theory was able to explain the mechanism that leads to this phenomenon in certain compounds, called conventional superconductors. However, the discovery of high-temperature superconductivity in 1986 by Bednorz and Müller evidenced that the BCS theory itself, and still no one, is capable to wholly explain superconductivity. In this work, we have studied the electronic structure of CuO2 layers like those appearing in La2CuO4, one of the reference materials for high-temperature superconductivity. These cuprate superconductors exhibit a characteristic phase diagram with hole doping and temperature as axes. By means of a simple model, combining both second-principles techniques and a Markov Chain Monte Carlo, we have focused on the region of the aforementioned phase diagram where the system is not doped with holes. These elements combined have served us to computationally reproduce a simultaneous antiferromagnetic-paramagnetic and insulator-metal phase transition.

RESUMEN: El fenómeno de la superconductividad fue observado por primera vez hace más de un siglo, y desde entonces se ha convertido en uno de los campos de estudio más importantes de la Física de Estado Sólido. Durante décadas, la teoría BCS fue capaz de explicar el mecanismo que causa este fenómeno en un cierto número de compuestos, llamados superconductores convencionales. Sin embargo, el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura en 1986 por Bednorz y Müller evidenció que la teoría BCS por sí misma, y aún hoy día ninguna, es capaz de explicar completamente la superconductividad. En este trabajo, hemos estudiado la estructura electrónica de láminas de CuO2 como las que aparecen en La2CuO4, uno de los superconductores de alta temperatura de referencia. Estos cupratos superconductores presentan un diagrama de fase característico cuyos ejes son el dopaje con huecos y la temperatura. Por medio de un modelo sencillo, combinando tanto técnicas de segundos principios como un método Monte Carlo de cadena de Markov, nos hemos centrado en la región del mencionado diagrama de fases en donde el sistema no está dopado con huecos. La combinación de estos elementos nos ha servido para reproducir, computacionalmente, una transición de fase simultánea: antiferromagnético-paramagnético y aislante-metal.