[論文レビュー] Theoretical and experimental evidence of a site-selective Mott transition in Fe2O3 under pressure

Eran Greenberg, I. Leonov+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2017

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences参考文献 60被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、高圧下における赤鉄鉱（Fe₂O₃）におけるサイト選択的モット転移の実験的および理論的証拠を提示する。この転移では、Fe³⁺イオンの半分が脱局在化し金属的になる一方、残りの半分は局在化したままである。転移は50–68 GPaの間で発生し、局所的磁気モーメントのサイト依存的崩壊と強い電子相関が特徴であり、フェルミ準位近くで有効質量の縮約（m*/m ~4–6）が観測される。これは、従来のモット転移とは異なり、圧力によって誘発される新しい形の金属化を示している。

ABSTRACT

We provide experimental and theoretical evidence for a novel type of pressure-induced insulator-metal transition characterized by site-selective delocalization of the electrons. Mössbauer spectroscopy, X-ray diffraction and electrical transport measurements on Fe$_2$O$_3$ to 100 GPa, along with dynamical mean-field theory (DFT+DMFT) calculations, reveal this site-selective Mott transition between 50 and 68 GPa, such that the metallization can be described by ($^ m{VI}$Fe$^{3+ m{HS}}$)$_2$O$_3$ [$R\bar{3}c$ structure] $\overrightarrow{ iny m{50~GPa}}$ ($^ m{VIII}$Fe$^{3+ m{HS~VI}}$Fe$^ m{M}$)O$_3$ [$P2_1/n$ structure] $\overrightarrow{ iny m{68~GPa}}$ ($^ m{VI}$Fe$^ m{M}$)$_2$O$_3$ [$Aba2$ structure]. Within the $P2_1/n$ crystal structure, characterized by two distinct coordination sites (VI and VIII), we observe equal abundances of ferric ions (Fe$^{3+}$) and ions having delocalized electrons (Fe$^ m{M}$), and only at higher pressures is a fully metallic $Aba2$ structure obtained, all at room temperature. The transition is characterized by delocalization/metallization of the $3d$ electrons on half the Fe sites, with a site-dependent collapse of local moments. Above $\sim$50 GPa, Fe$_2$O$_3$ is a strongly correlated metal with reduced electron mobility (large band renormalizations) of m*/m$\sim$4 and 6 near the Fermi level. Upon decompression, we observe a site-selective (metallic) to conventional Mott insulator phase transition ($^ m{VIII}$Fe$^{3+ m{HS~VI}}$Fe$^ m{M}$)O$_3$ $\overrightarrow{ iny m{50~GPa}}$ ($^ m{VIII}$Fe$^{3+ m{HS~VI}}$Fe$^{3+ m{HS}}$)O$_3$ within the same $P2_1/n$ structure, indicating a decoupling of the electronic and lattice degrees of freedom, characteristic of a true Mott transition. Our results show that the interplay of electronic correlations and lattice may result in rather complex behavior of the electronic structure and magnetic state.

研究の動機と目的

• 極端な圧力下におけるFe₂O₃の電子的および磁気的応答、特に絶縁体から金属への転移の性質を調査すること。
• 転移が均一な金属化ではなく、3d電子のサイト選択的脱局在化を伴うものであるかどうかを特定すること。
• 電子相関および格子構造が非均一なモット転移を駆動する役割を調査すること。
• 圧力除去に伴う可逆性および電子構造の進化を検討し、電子的および格子的自由度の分離が生じるかどうかを検証すること。

提案手法

• Feサイトの局所的電子的および磁気的環境をプローブするための高圧モッシェーバー分光法。
• 圧力下での構造的進化および配位数の変化を追跡するX線回折。
• 金属化の検出およびキャリア移動度の定量的評価のための電気伝導度測定。
• 電子相関をモデル化し、サイト選択的挙動を予測するための動的平均場理論（DFT+DMFT）計算。
• R¯3cからP2₁/n、最終的にAba2への結晶構造の変化を分析し、異なるFe配位サイト（VIおよびVIII）を特定。
• 実験データと理論的予測を比較し、サイト選択的モット転移の特徴を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe₂O₃は高圧下で、Feサイトの一部が金属的になるサイト選択的モット転移を示すか？
• RQ2 高圧下におけるFe₂O₃の3d電子の選択的脱局在化を駆動する電子相関の役割は何か？
• RQ3 転移に伴い、局所的磁気モーメントおよび電子構造はどのように変化するか。また、圧力除去に伴いこの挙動は可逆的か？
• RQ4 この転移中に格子的自由度と電子的自由度がどれほど分離するか。これは真のモット転移を示唆するか？
• RQ5 サイト選択的金属相におけるフェルミ準位近くのキャリアの有効質量増大度はどの程度か？

主な発見

• Fe₂O₃では50–68 GPaの間でサイト選択的モット転移が発生し、Feサイトの半分が金属的になる一方、残りの半分は局在化したままである。
• この転移は、サイトに依存する局所的磁気モーメントの崩壊を特徴とし、VIサイトに存在するFe³⁺(HS)イオンは局在化したままであり、VIIIサイトに存在するFeイオンは脱局在化して金属的（Feᴹ）になる。
• P2₁/n相においてフェルミ準位近くで有効質量の縮約（m*/m ~4–6）が観測され、強い電子相関および電子移動度の低下を示している。
• 圧力除去に伴い、系は同じP2₁/n構造において従来のモット絶縁体に回復し、電子的および格子的自由度の分離が確認された。
• より高い圧力下で形成される最終的な金属相はAba2構造をとるが、この状態ではすべてのFeサイトが脱局在化し、完全に金属的である。
• この転移は均一ではなく、異なるFeサイトに局在化および脱局在化した電子が共存する。これは、新しい種類のサイト選択的モット転移を定義する。