Pressure and strain effects on cuprate superconductors from first principles calculations

Cuprate high temperature superconductors have represented for more than 30 years an outstanding challenge for both experimental and theoretical phycisists, undertaking an effort to explain their physics to then employ them in technological applications. The remarkably high critical temperatures of these superconductors, up to 135K at ambient pressure, indeed make them very appealing for energy and electronics applications. The phenomenology of cuprates goes however far beyond superconductivity, with an incredibly rich phase diagram, the proper theoretical treatment of which has not been possible with ab initio theories up until very recent times. This work tackles the normal state of a model cuprate, La2CuO4 (LCO), in its antiferromagnetic phase and the modification of its structural, electronic and magnetic properties upon the application of hydrostatic pressure or biaxial strain, calculated with density functional theory. The electronic correlations that cause these materials, when not doped, to be insulating antiferromagnets couldn't be taken care of by any exchange-correlation functional up until the development of the SCAN (Strongly Constrained and Appropriately Normed) one. Here, we employ the SCAN to reproduce several recent experimental results on the properties of LCO under various external stimuli. We calculated the exchange coupling between copper atoms in LCO and the the modifications in the band structure under biaxial strain and hydrostatic pressure. We then looked for a pressure induced structural phase transition highlighted by the experiments. In most of these cases the calculations predict quantitatively the experimental results, thus making optimistic the use of the SCAN functional the starting point for further investigation of cuprate superconductors.

I cuprati, superconduttori ad alta temperatura, hanno rappresentato per più di 30 anni una formidabile sfida per i fisici sperimentali e teorici, impegnati nel tentativo di spiegare la loro fisica e utilizzarli per applicazioni tecnologiche. Le temperature critiche straordinariamente elevate di questi superconduttori (fino a 135K a pressione ambiente) li rendono infatti ottimi candidati per applicazioni energetiche ed elettroniche. La fenomenologia dei cuprati va in ogni caso ben al di là della superconduttività con un diagramma di fase straordinariamente ricco, il cui adeguato trattamento teorico con teorie ab initio non è stato possibile fino a tempi recentissimi. Questo lavoro tratta lo stato normale di un cuprato preso a modello, La2CuO4 (LCO), nella sua fase antiferromagnetica e le modifiche delle sue proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche a seguito dell'applicazione di pressione idrostatica o tensione biassiale, calcolate con la teoria del funzionale della densità. Le correlazioni elettroniche che rendono questo materiale, quando non drogato, un antiferromagnete isolante non potevano essere trattate con nessun funzionale di scambio e correlazione fino allo sviluppo dello SCAN (Strongly Constrained Appropriately Normed functional). Qui noi usiamo lo SCAN per riprodurre vari risultati sperimentali sulle proprietà dell'LCO sotto l'azione di stimoli esterni. Abbiamo poi ricercato una transizione di fase strutturale dovuta alla pressione evidenziata dagli esperimenti. Nella maggior parte di questi casi i calcoli predicono quantitativamente i risultati sperimentali, rendendoci ottimisti sull'uso del funzionale SCAN come punto d'inizio per un ulteriore studio dei cuprati.