[論文レビュー] Electronic, structural, and magnetic properties of LaMnO$_3$ phase transition at high temperature

Pablo Rivero, Vincent Meunier+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、10% ハートリー・フォック交換を用いた温度依存性ハイブリッド密度汎関数理論（DFT）手法を開発し、低・高温相におけるLaMnO₃の電子的・構造的・磁気的転移を正確に記述した。絶縁体から金属への転移の主因はQ₂ジャン・テラー振動モードの軟化であり、本研究では高温LaMnO₃における半金属的フェロ磁性状態がDFTで確認された初の例である。

ABSTRACT

We develop a procedure to determine the portion of exact Hartree-Fock exchange interaction contained in a hybrid density functional to treat the range of electronic correlation governing the physics of a system as a function of a thermodynamical parameter. This includes systems that depend on physical parameters accessible to experiment (i.e., temperature, pressure, composition, etc.) or those composed of two or more materials such as heterostructures and interfaces. This approach is applied to LaMnO$_3$ where for the first time we are able to simulate the high temperature insulator-to-metal transition (IMT) and observe a half-metallic orbital disorder ferromagnetic state using density functional theory. In particular, we show that the softening of the extit{Q$_2$} Jahn-Teller mode plays a central role in driving the IMT. These findings are likely to motivate the investigation of heterostructures and bulk materials that contain a range of electronic correlation in similar material systems.

研究の動機と目的

• 温度に応じたLaMnO₃における電子相関の全範囲を記述可能な単一のハイブリッドDFT関数を構築すること。
• 長年の課題である高温絶縁体-金属転移（IMT）およびそれに伴う磁気的・構造的変化を正確にモデル化すること。
• LaMnO₃の相転移を駆動する主要なジャン・テラーモードを同定すること。
• 低温相のA-AFM絶縁体状態と高温相のFM金属状態を一貫して捉えるために最適なハートリー・フォック交換（HFX）混合パラメータを特定すること。
• 高圧下でのみ観測されたことのある、高温相における半金属的フェロ磁性状態の出現を明らかにすること。

提案手法

• 温度に応じた電子相関の強度を調整できる可変HFX混合（5%および10%）を有するハイブリッドDFT関数を構築した。
• PBE-10関数（10% HFX、90% PBE交換）が、LaMnO₃の低温・高温相を両方再現する最適な単一関数として選定された。
• スピン極性計算を用いた密度汎関数理論により、磁気秩序（A-AFMおよびFM）および構造的歪み（ジャン・テラー、オクタヘドロンのねじれ）をモデル化した。
• Jahn-Teller歪みによる電子状態の縮退と分裂を評価するため、フェルミ準位付近のMn 3d-e_g軌道の投影密度状態（PDOS）分析を実施した。
• ジャン・テラー振動モード（Q₂およびQ₃）の分析により、特にQ₂モードの軟化が相転移に与える寄与を評価した。
• 単一の関数を用いることで、機能切り替えに起因する不一致を回避し、電子的・磁気的・構造的性質の相転移にわたる一貫性ある比較が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaMnO₃の低温A-AFM絶縁体相と高温FM金属相の両方を正確に記述できる、最適なハートリー・フォック交換混合パラメータは何か？
• RQ2 高温におけるLaMnO₃の絶縁体-金属転移を主に駆動するジャン・テラー歪みモード（Q₂またはQ₃）はどれか？
• RQ3 高温相のLaMnO₃は半金属的性質を示すか？ もしそうならば、どのような条件下で安定化するか？
• RQ4 高温におけるジャン・テラー歪みの低減と局所対称性の向上が、Mn 3d-e_g軌道の縮重度にどのように影響するか？
• RQ5 強いスピン-電荷-格子結合が存在する中で、温度上昇に伴いLaMnO₃における電子相関の全範囲を1つのハイブリッド関数が記述可能か？

主な発見

• PBE-10ハイブリッド関数（10% HFX、90% PBE交換）は、LaMnO₃の低温A-AFM絶縁体状態と高温FM金属状態の両方を、一貫した電子的および磁気的性質で再現した。
• Q₂ジャン・テラーモードは、高温FM金属状態でのみ顕著な軟化を示し、絶縁体-金属転移を駆動する主要モードであることが示された。
• 高温相では、フェルミ準位上に部分的に占有されたバンドが確認されたPDOS分析により、ほぼ縮退したMn 3d-e_g軌道を有する半金属的フェロ磁性状態を示した。
• 高温におけるジャン・テラー歪みの低減により、ほぼ等しいaおよびb格子定数を有する擬似立方構造となり、Mnサイトの局所対称性が向上した。
• 高温相における軌道縮重度の上昇は、e_g軌道の50-50占有確率に相当し、混合のエントロピーに類似した状態を形成し、金属状態の安定化に寄与した。
• Q₃ジャン・テラーモードは、すべての高温構造でほとんど存在しないため、相転移においては微小な役割に留まることを確認した。