[論文レビュー] Dynamical structural instability and a new crystal-electronic structure of infinite-layer nickelates

Chengliang Xia, Jiaxuan Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、後期ランタノイド（R = Eu-Lu）における無限層ネイキレート RNiO₂ が、テトラゴナル P4/mmm 相において動的に不安定であり、位相遷移を引き起こす原因となる、位相反位の NiO₄ 正方形回転を伴うより低いエネルギーの I4/mcm 構造に傾倒することを明らかにした。この歪みは Ni d オービタル帯域幅を減少させ、Ni d 電子占有数を低下させ、Mott 物理を強化する。したがって、I4/mcm RNiO₂ は P4/mmm 相よりも超伝導性銅酸化物に近い性質を示す。

ABSTRACT

We use first-principles calculations to find that in infinite-layer nickelates $R$NiO$_2$, the widely studied tetragonal $P4/mmm$ structure is only dynamically stable for early lanthanide elements $R$ = La-Sm. For late lanthanide elements $R$ = Eu-Lu, an imaginary phonon frequency appears at $A=(\pi,\pi,\pi)$ point. For those infinite-layer nickelates, condensation of this phonon mode into the $P4/mmm$ structure leads to a more energetically favorable $I4/mcm$ structure that is characterized by an out-of-phase rotation of `NiO$_4$ square'. Special attention is given to two borderline cases: PmNiO$_2$ and SmNiO$_2$, in which both the $P4/mmm$ structure and the $I4/mcm$ structure are local minimums, and the energy difference between the two structures can be fine-tuned by epitaxial strain. Compared to the $P4/mmm$ structure, $R$NiO$_2$ in the $I4/mcm$ structure has a substantially reduced Ni $d_{x^2-y^2}$ bandwidth, a smaller Ni $d$ occupancy, a `cleaner' Fermi surface with less contribution from lanthanide element $d$ orbitals, and a decreased critical $U_{ extrm{Ni}}$ to stabilize long-range antiferromagnetic ordering. All these features favor Mott physics and render $R$NiO$_2$ in the $I4/mcm$ structure a closer analogy to superconducting infinite-layer cuprates.

研究の動機と目的

• ランタノイド系列にわたる無限層ネイキレート RNiO₂ のテトラゴナル P4/mmm 相の動的安定性を調査すること。
• 初期ランタノイドを越えて RNiO₂ の相転移を引き起こす構造的不安定性を特定すること。
• エピタキシャル歪みが、境界領域（Pm、Sm）における PmNiO₂ および SmNiO₂ の P4/mmm と I4/mcm 相間のエネルギー状態をどのように調整できるかを調査すること。
• I4/mcm 相における電子構造の変化と、それらが Mott 物理および反強磁性秩序の安定化に与える影響を評価すること。

提案手法

• フォノン分散を計算し、虚数振動数の存在を特定することで、動的不安定性を評価するため、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いる。
• 群論を用いて、A=(π,π,π) 点における軟モードが I4/mcm 空間群への構造的歪みを誘導する凝縮モードであることを特定する。
• 各 R 要素の基底状態構造を決定するため、構造的緩和とエネルギー最小化を実行する。
• 電子バンド構造、d オービタル占有数、フェルミ面の組成、反強磁性秩序の安定化に必要な臨界 U 値を分析する。
• エピタキシャル歪みをスーパセルモデルに適用し、PmNiO₂ および SmNiO₂ における P4/mmm と I4/mcm 相間のエネルギー差を調整する。
• 両相間における Ni d オービタル帯域幅、d 占有数、およびランタノイド 4f/d オービタルとの混合を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ初期ランタノイドに比べ、後期ランタノイドネイキレート（R = Eu-Lu）では P4/mmm 相が動的に不安定であるのか？
• RQ2 A=(π,π,π) 点における軟フォノンモードの凝縮から生じる構造的歪みは何か？その対称性および原子的起源は？
• RQ3 I4/mcm 構造は、P4/mmm 相と比較して Ni d 帯域幅、d 占有数、フェルミ面トポロジーにどのように影響を与えるか？
• RQ4 I4/mcm 構造は、長距離反強磁性秩序を安定化させるために必要な臨界 U_Ni にどのような影響を与えるか？
• RQ5 エピタキシャル歪みを用いることで、PmNiO₂ や SmNiO₂ などの境界領域において、P4/mmm と I4/mcm 相の相対的安定性を制御できるか？

主な発見

• R = Eu-Lu の場合、P4/mmm 相は A=(π,π,π) 点に虚数振動数を示し、動的不安定性を示している。
• このフォノンモードの凝縮により、位相反位の NiO₄ 正方形平面単位の回転を特徴とするより低いエネルギーの I4/mcm 構造が生成される。
• I4/mcm 相では、P4/mmm 相と比較して、Ni d_{x²−y²} 帯域幅が顕著に小さくなっている。
• I4/mcm 構造では Ni d オービタル占有数が低下しており、より Mott 絶縁体的性質が強まっていることが示唆される。
• I4/mcm 相のフェルミ面は「クリア」になっており、ランタノイド 4f および d オービタルとの混合が顕著に減少している。
• I4/mcm 相では、長距離反強磁性秩序を安定化させるために必要な臨界 U_Ni が低下しており、Mott 物理の強化をさらに裏付けている。