[論文レビュー] Orbital-Selective Mott Transition and Evolution of the Zhang-Rice State in Cubic Phase UO$_{2}$ Under Pressure

Li Huang, Yilin Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Nuclear Materials and Properties被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、DFT+DMFTを用いて、約45 GPaの圧力下で立方晶UO₂において軌道選択的モット転移が予測される。このとき、j=5/2のf電子は金属的となるが、j=7/2状態は依然として絶縁体的である。この転移に伴い、5f電子占有数と全角運動量が急激に減少し、金属相では一般化されたザンプ・ライス状態が消失する。

ABSTRACT

We study the electronic structure of cubic phase uranium dioxide at different volumes using a combination of density functional theory and dynamical mean-field theory. The \emph{ab initio} calculations predict an orbital-selective Mott insulator-metal transition at a moderate pressure of $\approx 45$ GPa. At this pressure the $j=5/2$ states become metallic, while the $j=7/2$ states remain insulating up to about 60 GPa. In the metallic state, we observe a rapid decrease of the 5$f$ occupation and total angular momentum with pressure. Simultaneously, the generalized Zhang-Rice state, which is of predominantly $j=5/2$ character, quickly disappears after the transition into the metallic phase.

研究の動機と目的

• 強相関する5f電子の高圧下における電子構造を理解すること。
• UO₂におけるモット絶縁体-金属転移が構造的相転移の前か、それと同時に発生するかという長年の議論を解消すること。
• 圧力下における一般化されたザンプ・ライス状態および5f軌道占有数の進化を調査すること。
• UO₂の構造的相転移が、モット転移によって電子的に駆動されているかどうかを特定すること。
• 従来のDFT+U手法を超えるアクチニドジオキサイドにおける圧力駆動電子相関の第一原理的記述を提供すること。

提案手法

• UO₂における強い電子相関を扱うために、密度汎関数理論（DFT）と動的平均場理論（DMFT）を組み合わせた手法を採用した。
• スピン軌道結合を含むab initio DFT+DMFT計算を用い、体積の範囲（V/V₀ = 1.00 から 0.78）における電子構造をモデル化した。
• 全スペクトル関数を計算し、軌道別スペクトル重みを分析するために、自己エネルギー埋め込み法を適用した。
• 電子再構成を調査するために、5f軌道占有数（Nf）、全角運動量⟨J⟩、および価数ヒストグラムの進化を追跡した。
• モットギャップを計算し、実験データおよび他の理論的手法（LDA+U、ハイブリッド関数、SIC-LSDA）と比較した。
• 絶縁相における局所スイング状態の形成をプローブとして、一般化されたザンプ・ライス状態を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静水圧下における立方晶UO₂のモット絶縁体-金属転移は、どの圧力で発生するか？
• RQ2 この転移は軌道選択的であり、異なるf軌道チャネル（j=5/2 対 j=7/2）が異なる圧力で金属的になるか？
• RQ3 一般化されたザンプ・ライス状態は圧力とともにどのように変化するか？金属相でも存続するか？
• RQ4 UO₂における5f軌道占有数および全角運動量⟨J⟩の圧力依存性は何か？
• RQ5 UO₂の構造的相転移は、特にモット転移によって電子的に駆動されているか？

主な発見

• 約45 GPaで軌道選択的モット転移が発生し、j=5/2のf電子は金属的となるが、j=7/2状態は依然として絶縁体的である。
• 絶縁相では混合により5f軌道占有数（Nf）がわずかに増加するが、金属相に移行すると約0.5電子急激に減少する。
• 絶縁相では有効全角運動量⟨J⟩はほぼ一定を保つが、金属相に移行すると急速に減少し、1単位以上も低下する。
• 絶縁相でスペクトル重みを支配する一般化されたザンプ・ライス状態は、45 GPaのモット転移後に急速に消失する。
• モット転移は構造的相転移の開始付近（42–69 GPa）に発生しており、構造的変化に電子的起源がある可能性を示唆する。
• DFT+DMFT手法は、LDA+U や SIC-LSDA が正しく絶縁状態を記述できないのに対し、常圧でのバンドギャップ（約2.1 eV）を正確に再現している。