[論文レビュー] Magnetic Phase Diagram of Ca2-xSrxRuO4 Governed by Structural Distortions

Zhong Fang, Kiyoyuki Terakura|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2001

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、構造的歪み下におけるSr2RuO4の磁気相図を構築した。RuO6オクテイドンの回転は強磁性（FM）不安定性を増幅するが、傾きと平坦化を併せることで反強磁性（AF）秩序が安定化される。RuO6の平坦化が、FMおよびAFの基底状態を安定化させる鍵要因であると特定され、この非銅酸化物超伝導体において、構造的不安定性と磁気的不安定性の間には競合的ではなく協同的（コoperative）な結合が存在することが示された。

ABSTRACT

We constructed, by the first-principles calculations, a magnetic phase diagram of Sr$_{2}$RuO$_4$ in the space spanned by structural distortions. Our phase diagram can qualitatively explain the experimental one for Ca$_{2-x}$Sr$_x$RuO$_4$. We found that the rotation and the tilting of RuO$_6$ octahedron are responsible for the ferro- and antiferro-magnetism, respectively, while the flattening of RuO$_6$ is the key factor to stabilize those magnetic ground states. Our results imply that the magnetic and the structural instabilities in Sr$_2$RuO$_4$ are closely correlated cooperatively rather than competitively.

研究の動機と目的

• Sr2RuO4における構造的歪みが磁気的相転移をどのように制御するかを理解すること。
• この非銅酸化物超伝導体における磁気的、構造的、電子的不安定性の相乗的相互作用を明確化すること。
• Ca2-xSr xRuO4の実験的相図を、構造的自由度の観点から説明すること。
• 軌道混合およびフェルミ準位における状態密度が磁気的不安定性をどのように媒介するかを調査すること。
• 構造的および磁気的揺らぎが、非単純超伝導性を駆動するために、競合するのではなく協同するかを評価すること。

提案手法

• 局所密度近似（LDA）における第一原理平面波擬ポテンシャル計算が用いられた。
• 結合長を固定したまま、RuO6の回転、傾き、平坦化という構造的歪みを体系的に変化させた。
• 平坦化度λは、RuO6体積を一定に保ったもとでλ = dc/dabとして定義された。
• 各構造について全エネルギーを比較し、磁気的基底状態（NM、FM、AF）を特定した。
• 状態密度（DOS）および軌道混合分析を用いて、電子構造の変化と磁気的不安定性の関連を明らかにした。
• 表面およびバルク磁気的相をモデル化するためにc(2x2)単位格子が使用され、実験的観察と整合的であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RuO6オクテイドンの回転は、Sr2RuO4における強磁性不安定性にどのように影響するか？
• RQ2 RuO6の傾きと平坦化は、反強磁性秩序の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 構造的歪みは、フェルミ準位における状態密度および軌道混合にどのように影響するか？
• RQ4 構造的および磁気的不安定性は、Sr2RuO4においてどの程度競合するか、あるいは協同するか？
• RQ5 Ca2-xSr xRuO4の実験的相図は、構造的歪みのみで定性的に説明可能か？

主な発見

• RuO6の回転はバンド幅を縮小させ、dxyバンドを約0.1 eV低下させ、フェルミ準位における状態密度を増加させ、強磁性不安定性を増幅する。
• RuO6の傾きは、すべてのt2gバンドをさらに狭め、フェルミ表面のネストを強化し、反強磁性不安定性を促進する。
• RuO6の平坦化は、pdπ混合を減少させ、t2gバンド幅を約0.3–0.4 eV縮小させ、フェルミ準位における状態密度を増加させる。
• 平坦化に起因する軌道極化により、dxy軌道が占有され、dyz/dzx軌道が脱占有され、ネストベクトルがブリユアンゾーン境界にずれ、整数比反強磁性秩序を有利にする。
• 計算された相図は、x = 0から2.0の範囲で、Ca2-xSr xRuO4の実験的磁気的相図を定性的に再現した。
• RuO6の平坦化は、FMおよびAFの基底状態を安定化させるために不可欠であり、格子と磁気的秩序の間には強い協同的結合が存在することが示された。