[論文レビュー] Calculation of screened Coulomb interaction parameters for the charge-disproportionated insulator CaFeO$_3$

Maximilian E. Merkel, Claude Ederer|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2023

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 67被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、電荷不均衡絶縁体であるCaFeO3におけるスクリーニングされたクーロン相互作用パラメータを、制約付きランダム位相近似（cRPA）を用いて計算し、ハーバードUの強いスクリーニングと、比較的スクリーニングされないハンズ相互作用Jの存在を明らかにした。結果は、Jが絶縁状態の物理的支配を占めることを示し、モット物理学ではなくハンズ金属性に起因するメカニズムを支持するものであり、一般的なDFT+Uパrametrizationの仮定を裏付ける一方で、バンドが複雑に混合する系における限界も示している。

ABSTRACT

We calculate the screened electron-electron interaction for the charge-disproportionated insulator CaFeO$_3$ using the constrained random-phase approximation (cRPA). While in many correlated materials, the formation of a Mott-insulating state is driven by a large local Coulomb repulsion, represented by the Hubbard $U$, several cases have been identified more recently where $U$ is strongly screened and instead the Hund's interaction $J$ dominates the physics. Our results confirm a strong screening of the local Coulomb repulsion $U$ in CaFeO$_3$ whereas $J$ is much less screened and can thus stabilize a charge-disproportionated insulating state. This is consistent with the case of the rare-earth nickelates where similar behavior has been demonstrated. In addition, we validate some common assumptions used for parametrizing the local electron-electron interaction in first-principles calculations based on density-functional theory (DFT), assess the dependence of the interaction on the choice of correlated orbitals, and discuss the use of the calculated interaction parameters in DFT+$U$ calculations of CaFeO$_3$. Our work also highlights certain limitations for the direct use of cRPA results in DFT-based first-principles calculations, in particular for systems with strong entanglement between the correlated and uncorrelated bands.

研究の動機と目的

• CaFeO3、電荷不均衡絶縁体としての局所クーロン相互作用Uにおけるスクリーニングの程度を特定すること。
• 本系におけるハーバードUとハンズ交換Jの相対的スクリーニング度を評価すること。
• 一般的なDFT+Uパラメータ化仮定（特に球対称近似と軌道基底の選択）の妥当性を評価すること。
• cRPAから得られた相互作用パラメータが、CaFeO3におけるDFT+UおよびDFT+DMFT計算への適用可能性を検討すること。
• 相関軌道の定義（原子軌道的 vs. 分子軌道的）が、相互作用パラメータに与える影響を調査すること。

提案手法

• CaFeO3におけるスクリーネート電子間相互作用を計算するために、制約付きランダム位相近似（cRPA）を用いた。
• PBE汎関数を用いたプロジェクター・プレーン波（PAW）法に基づくDFT計算を実施した。
• 相関d軌道を2通りの方法で定義した：標準的な原子軌道的基底と、顕在酸化状態に類似したヘテロ結合Fe-d/O-p前線軌道。
• ワニエ関数の投影を用いて低エネルギー有効モデルを構築し、相互作用パラメータを抽出した。
• 異なる軌道定義における相互作用パラメータを比較し、局所相互作用の球対称近似の妥当性を評価した。
• 高・低温度相における構造的緩和のUおよびJ依存性を再検討し、パrameter選択の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CaFeO3におけるハーバードUパラメータはどの程度スクリーニングされているのか。また、ハンズ交換Jのスクリーニングと比較するとどうなるか。
• RQ2 原子的軌道的か、ヘテロ結合分子軌道的かという相関軌道の選択によって、計算された相互作用パラメータにどのような影響があるか。
• RQ3 局所電子間相互作用の球対称近似は、CaFeO3において妥当であるか。
• RQ4 cRPAから得られた相互作用パラメータは、本系のDFT+UおよびDFT+DMFT計算に信頼性を持って用いることができるか。
• RQ5 UとJは、電荷不均衡絶縁状態を安定化させる上で果たす役割は何か。物理的状態はハンズ金属性かモット絶縁体像に一致するか。

主な発見

• CaFeO3におけるハーバードUは強くスクリーニングされており、典型的なDFT+U推定値と比較して有効値が著しく低減されている。
• これに対して、ハンズ交換Jははるかに少ないスクリーニングを受けており、Jが電荷不均衡絶縁状態の物理的支配を占めていることが示唆される。
• ヘテロ結合Fe-d/O-p前線軌道を用いることで、原子軌道的基底に比べてより物理的に意味のある、顕在酸化状態と整合性のある相互作用パラメータが得られた。
• 強い軌道混合と異方性のため、局所相互作用の球対称近似はCaFeO3に対して不適切であることが判明した。
• cRPAの結果は、相関軌道と非相関軌道が強く混合する系では、DFT+Uへの直接的適用性に限界があることを示している。
• 構造的緩和のUおよびJ依存性の再検証により、正しい相互作用パラメータが、正しい絶縁相および格子歪みを捉えるために不可欠であることが確認された。