[論文レビュー] Infinite Layer LaNiO(2): Ni(1+)is not Cu(2+)

Lee, K. -W., Warren E. Pickett|arXiv (Cornell University)|May 24, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、ab initio LDAおよびLDA+U計算を用いて、LaNiO₂が、CaCuO₂中の磁性Cu²⁺と同様に形式的Ni¹⁺がd⁹配置を示すにもかかわらず、金属的で非磁性であることを示した。主な差異は、Ni 3d–O 2p混成が低下し、Ni 3d(3z²−r²)とLa 5d(3z²−r²)状態の強い混合に起因する。これによりNi 3dバンドが穴ドーピングされ、金属的状態が安定化される。極端なU値では、LDA+Uは、反平行スピンを持つd(x²−y²)およびd(3z²−r²)の空孔を示す、新しい相関状態を予測し、スピン量子数がゼロのNi²⁺イオンに類似した状態となる。

ABSTRACT

The Ni ion in LaNiO$_2$ has the same formal ionic configuration $3d^9$ as does Cu in isostructural CaCuO$_2$, but it is reported to be nonmagnetic and probably metallic whereas CaCuO$_2$ is a magnetic insulator. From ab initio calculations we trace its individualistic behavior to (1) reduced $3d-2p$ mixing due to an increase of the separation of site energies ($ε_d - ε_p$) of at least 2 eV, and (2) important Ni $3d(3z^2-r^2)$ mixing with La $5d(3z^2-r^2)$ states that leads to Fermi surface pockets of La $5d$ character that hole-dope the Ni 3d band.Correlation effects do not appear to be large in LaNiO$_2$. However, ad hoc increase of the intraatomic repulsion on the Ni site (using the LDA+U method) is found to lead to a novel correlated state: (i) the transition metal $d(x^2-y^2)$ and $d(3z^2-r^2)$ states undergo consecutive Mott transitions, (ii) their moments are antialigned leading (ideally) to a "singlet" ion in which there are two polarized orbitals, and (iii) mixing of the upper Hubbard $3d(3z^2-r^2)$ band with the La $5d(xy)$ states leaves considerable transition metal 3d character in a band pinned to the Fermi level. The magnetic configuration is more indicative of a Ni$^{2+}$ ion in this limit, although the actual charge changes little with U.

研究の動機と目的

• LaNiO₂が、CaCuO₂中の磁性Cu²⁺と同様にd⁹ Ni¹⁺イオンを有するにもかかわらず、金属的で非磁性である理由を理解すること。
• 電子相関、混成、カチオン環境が無限層ニッケレートの電子構造に与える影響を調査すること。
• LDA+Uが、他の系で磁性を正しく予測できないにもかかわらず、LaNiO₂の電子的挙動を記述できるかどうかを検討すること。
• 形式的d⁹構造と非磁性・金属的挙動の間にある顕著な矛盾の原因を明確にすること。

提案手法

• 反強磁性秩序を用いた（\sqrt{2} \times \sqrt{2}）超格子を用いた、フルポテンシャル線形化補間平面波（FPLO）法によるab initio電子構造計算。
• 局所密度近似（LDA）およびその磁性一般化を用いて、基底状態の性質を研究すること。
• 1〜8 eVのU値を用いたLDA+U法を適用し、局所的クーロン反発を考慮し、相関効果を検討すること。
• Ni 3d、O 2p、La 5d状態間の軌道的性質および混成を調べるための、状態密度（DOS）の投影解析。
• LDA+U解におけるスピン極化の空間的分布を可視化するためのスピン密度等高線マップ。
• LaNiO₂とCaCuO₂の計算された電子構造を比較し、それらの異なる磁性および金属的挙動の原因を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaNiO₂が、CaCuO₂中の磁性Cu²⁺と同様にd⁹ Ni¹⁺イオンを有するにもかかわらず、なぜ金属的で非磁性であるのか？
• RQ2 LaNiO₂におけるNi 3d–O 2p混成が、CaCuO₂と比較して電子的および磁性的性質に与える役割は何か？
• RQ3 La 5d状態が結合に参加することで、LaNiO₂の電子構造にどのような影響を与えるか？
• RQ4 LDA+Uフレームワークにおいて、極端な相関（高U）条件下でLaNiO₂の電子構造はどのように変化するか？
• RQ5 実験では長距離磁性秩序が観測されないにもかかわらず、なぜLDAはLaNiO₂で弱い反強磁性を予測するのか？

主な発見

• LaNiO₂におけるNi 3d–O 2p混成は顕著に低下しており、Ni 3d帯とO 2p帯の間隔が3–4 eVにまで分離しているのに対し、CaCuO₂では1 eV未満である。
• La 5d(3z²−r²)状態とNi 3d(3z²−r²)状態の間で強い混合が生じ、La 5d特性を有するフェルミ表面のパッチが形成され、これによりNi 3dバンドが穴ドーピングされ、金属的状態が安定化される。
• U = 8 eVのとき、LDA+Uは、d(x²−y²)およびd(3z²−r²)軌道が反平行スピンで連続的にモット遷移を経て、スイングレットに類似した状態を形成する、新しい相関状態を予測する。
• d(3z²−r²)状態の上部ハッブルバンドはフェルミエネルギーにピン留めされており、E_F付近の状態は依然として顕著なNi 3d特性を示す。
• 高Uにおける磁性配置はスピン量子数S=0のNi²⁺イオンに類似しているが、実際のNiの酸化状態はUの変化に対してほとんど変化しないため、これは純粋に電子的効果である。
• LDAはLaNiO₂における磁性を過大評価しており、この過大評価を是正するには磁性揺らぎを含める必要があると示唆され、ZrZn₂やNi₃Gaなどの他の系とも整合的である。