[論文レビュー] Electronic structure and magnetic properties of La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ under pressure: active role of the Ni-$d_{x^2-y^2}$ orbitals

Harrison LaBollita, Víctor Pardo+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

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

ひとこと要約

本論文は、圧力と電子相関がLa3Ni2O7におけるスピン状態遷移を誘起する様子を分析し、Ni-dx2-y2軌道が低エネルギー物理を活発に支配することを示す。Ni-dz2は高圧下でも主役ではなく、AmamからFmmmへの遷移と酸素欠損の変動を通じてDFT+Uで検討される。

ABSTRACT

Following the recent report of superconductivity in the bilayer nickelate La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ under pressure, we present an analysis of the electronic and magnetic properties of La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ as a function of pressure using correlated density functional theory methods (DFT+$U$). At the bare DFT level, the electronic structure of the ambient and high-pressure phases of La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$are qualitatively similar. Upon including local correlation effects within DFT+$U$ and allowing for magnetic ordering, we find a delicate interplay between pressure and electronic correlations. Within the pressure-correlations phase space, we identify a region (at $U$ values consistent with constrained RPA) characterized by a high spin to low spin transition with increasing pressure. In contrast to previous theoretical work that only highlights the crucial role of the Ni-$d_{z^2}$ orbitals in this material, we find that the Ni-$d_{x^{2}-y^{2}}$ orbitals are active upon pressure and drive this rich magnetic landscape. This picture is preserved in the presence of oxygen deficiencies.

研究の動機と目的

• La3Ni2O7の高圧下の電子構造・磁気構造の理解を、新規超伝導の出現の文脈で動機づける
• 圧力と電子相関が磁気秩序と軌道活性をどのように形作るかを調べる
• フェルミ面付近でどのNi-3d軌道が支配的か、構造相転移とともにどう変化するかを特定する
• La3Ni2O7の酸素欠乏が電子構造と磁気に及ぼす役割を評価する

提案手法

• AmamおよびFmmm空間群でLa3Ni2O7の構造緩和をGGAと500eVカットオフでDFTを用いて実施する
• AMFおよびFLLの二重数え上げ方式を用いたDFTおよびDFT+Uで電子構造を計算する
• U範囲を1–5eV、J_H = 0.7eVでFM、AFM-A、AFM-Gなどの磁気秩序を探索する
• Fermiレベル付近のNi-dz2とNi-dx2-y2の軌道解像寄与を追跡し、スピン状態遷移（HS→LS）を識別する
• 結合/反結合Ni-dz2分裂、dx2-y2の帯域幅、電荷移動エネルギーΔの進化を分析する
• 酸素欠損が電子構造に及ぼす影響を検討する

Figure 1: Crystal structures and structural data of La 3 Ni 2 O 7 from DFT. (a) Crystal structure for La 3 Ni 2 O 7 in the low-symmetry Amam (left) and high-symmetry Fmmm (right) phases. Small red spheres represent oxygen atoms, forming octahedral cages around the Ni (gray) atoms. The green spheres

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La3Ni2O7は圧力誘導のスピン状態遷移を経るのか。その特徴は何か？
• RQ2 AmamからFmmm遷移を通じて低エネルギー電子構造を支配するNi-3d軌道はどれか？
• RQ3 異なるDFT+Uの二重数え上げスキーム（AMF対FLL）は、圧力下で予測される磁気基底状態にどのような影響を与えるか？
• RQ4 圧力下での酸素化学組成がLa3Ni2O7の電子構造と磁気に与える役割は何か？

主な発見

• 圧力誘導のスピン状態遷移は、Amam-to-Fmmm遷移付近の約10 GPa付近で、cRPAと整合する2–4 eVの範囲のUにおいて高スピンから低スピンへ生じる
• 圧力と相関の空間においてNi-dx^2−y^2軌道は活発に関与し、Ni-dz^2状態がフェルミエネルギーに現れていても磁気挙動を支配する
• 常圧のHS相ではNi-dz^2結合/反結合分裂とNi-dx^2−y^2帯域幅が圧力下で変化し、LS状態ではFermi近傍でdx^2−y^2支配が顕著になる
• 実験で超伝導が観測される高圧領域におけるLS基底状態はNi-dx^2−y^2軌道に支配され cupratesと類似する可能性があり、HS状態は超伝導に対して有利でない
• 酸素欠損はNi-dx^2−y^2の活性役割を取り除くことなく、成分の変動を越えてdx^2−y^2–driven電子構造を保持する
• AmamからFmmmへの構造転移（NiO6の傾斜抑制）が再現され、完全緩和でI4/mmmへの傾向が示唆され、最近の実験とも一致

Figure 2: LDA non-magnetic electronic structure of La 3 Ni 2 O 7 in the ambient pressure Amam phase (top row) and in the Fmmm phase at P = 29.5 GPa (bottom row). (a,d) Orbital resolved density of states (DOS) for the La, Ni, and O atoms (upper panels) and partial density of states (PDOS) for the Ni-