[論文レビュー] Mott and spin-Peierls physics in TiPO$_4$ under high pressure

H. Johan M. Jönsson, Marcus Ekholm+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Advanced Chemical Physics Studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、第一原理計算と実験データを統合して、TiPO4における高圧下のモットおよびスピン・ペイアールズ物理学を調査し、圧力が室温でスピンsinglet形成を伴うジメル化した絶縁相を安定化させることを明らかにした。本研究は、TiPO4がVO2の直接的な類縁体であることを示し、電子相関と格子ジメル化が共同して圧力下でのモット絶縁状態を駆動する相関支援ペイアールズ遷移のモデル系であることを示した。

ABSTRACT

TiPO$_4$ is a Mott insulator and one of few inorganic compounds featuring a spin-Peierls phase at low temperature. Recent experimental studies have suggested the presence of spin-Peierls dimerization also at ambient temperature though at high pressure. Here, we present a combined experimental and theoretical study of the energetics of the high-pressure phase. We analyse dimerization properties and their coupling to spin degrees of freedom. Most importantly, we argue that TiPO$_4$ resents a direct analogue to the celebrated binary transition metal oxide VO$_2$. TiPO$_4$ allows to assess spin-dimer physics in the high-pressure regime in a controlled fashion, having the potential to become an important model system representative of the class of dimerized transition metal oxides.

研究の動機と目的

• 高圧下におけるTiPO4における電子相関、格子ジメル化、スピン自由度の相乗的相互作用を理解すること。
• TiPO4の観察された高圧相が、室温でスピン・ペイアールズジメル化を伴うモット絶縁体であるかどうかを特定すること。
• VO2に類似した相関支援ペイアールズ遷移を研究するためのモデル系としてTiPO4を確立すること。
• 電子相関（LDA+Uを介して）および構造的歪みが絶縁相の安定化に果たす役割を調査すること。
• 理論的予測をX線回折および電子構造データの実験結果と比較し、ジメル化とバンドギャップの開口のメカニズムを検証すること。

提案手法

• ヘーブル・Uパラメータを2.0および3.0 eVとして用いたLDAおよびLDA+U関数を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 圧力変動下におけるTiPO4の相I、II、IIIの構造的緩和および電子構造計算。
• Ti 3d軌道に投影された全密度およびスピン偏極密度状態（DOS）の計算を通じて、電子相関およびスピン状態の分析。
• 圧力関数としてのジメル化パラメータδ（Ti–Ti距離の変調）およびオクタヘドロンのねじれ角の分析。
• Ti原子周辺の局所座標系を用いて、軌道別電荷密度を計算し、混合性の変化を評価。
• 実験データ（X線回折および構造測定）と比較して、計算された状態方程式、格子定数、および磁化モーメントの検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験によって示唆されているように、高圧が室温でTiPO4にスピン・ペイアールズ遷移を誘発するか？
• RQ2 電子相関（モット物理学）と格子ジメル化（ペイアールズ物理学）が、TiPO4の高圧相でどのように共存し合い、互いにどのように影響を及ぼすか？
• RQ3 金属-絶縁体遷移を駆動する電子的および構造的メカニズムにおいて、TiPO4がVO2に対してどの程度直接的な類縁体として機能するか？
• RQ4 圧力下での絶縁ギャップ形成に、t2gおよびeg軌道の分裂と混合性が果たす役割は何か？
• RQ5 ジメル化したTi鎖における磁化モーメントおよびスピンsinglet形成は、圧力とともにどのように変化するか？

主な発見

• TiPO4の高圧相III（P21nm、7 GPa）は、c軸に沿ってTi原子の強固なジメル化を示し、4本の異なるTi鎖が位相反調を示す。
• DFT+U計算により、3.5 GPaで圧力誘発の基本バンドギャップが開き、32.3 GPaで約1.2 eVに増加することが判明し、モット絶縁状態であることを確認した。
• スピン偏極密度状態の計算から、ジメル化Tiペアにおけるスピンsinglet基底状態が確認され、スピンアップおよびスピンダウンチャネルのほぼ degeneracy が、スピン・ペイアールズ物理学に一致した。
• 絶縁相においてTi原子上の磁化モーメントはほぼゼロを維持しており、強いスピンsinglet形成を示し、全スピン偏極は抑制されている。
• 4本のTi鎖におけるオクタヘドロンのねじれ角は5°から9°の間で変動し、計算値は実験値と1°以内で一致しており、構造モデルの妥当性が裏付けられた。
• 計算された状態方程式および格子定数（a、b、c）は、実験データと良好に一致しており、特にU = 2.0 eVの場合に、LDA+U手法の信頼性が支持された。