[논문 리뷰] Calculation of screened Coulomb interaction parameters for the charge-disproportionated insulator CaFeO$_3$

Maximilian E. Merkel, Claude Ederer|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 25.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 67인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 전하 비균형 절연체인 CaFeO3에서 제약 랜덤-phase 근사(cRPA)를 사용하여 선형 스크리닝된 쿨롱 상호작용 매개변수를 계산하여, 허브 U의 강한 스크리닝과 반면 헌드 상호작용 J의 상대적 비스크리닝을 규명한다. 결과는 J가 절연 상태의 물리적 거동를 지배함을 보여주며, Mott 물리학이 아닌 헌드 금속성에 기반한 메커니즘을 지지하고, 일반적인 DFT+U 매개변수화 가정을 검증하면서도, 얽힌 오비탈을 가진 시스템에서는 이러한 가정의 한계를 제기한다.

ABSTRACT

We calculate the screened electron-electron interaction for the charge-disproportionated insulator CaFeO$_3$ using the constrained random-phase approximation (cRPA). While in many correlated materials, the formation of a Mott-insulating state is driven by a large local Coulomb repulsion, represented by the Hubbard $U$, several cases have been identified more recently where $U$ is strongly screened and instead the Hund's interaction $J$ dominates the physics. Our results confirm a strong screening of the local Coulomb repulsion $U$ in CaFeO$_3$ whereas $J$ is much less screened and can thus stabilize a charge-disproportionated insulating state. This is consistent with the case of the rare-earth nickelates where similar behavior has been demonstrated. In addition, we validate some common assumptions used for parametrizing the local electron-electron interaction in first-principles calculations based on density-functional theory (DFT), assess the dependence of the interaction on the choice of correlated orbitals, and discuss the use of the calculated interaction parameters in DFT+$U$ calculations of CaFeO$_3$. Our work also highlights certain limitations for the direct use of cRPA results in DFT-based first-principles calculations, in particular for systems with strong entanglement between the correlated and uncorrelated bands.

연구 동기 및 목표

• CaFeO3, 전하 비균형 절연체에서 국소 쿨롱 상호작용 U의 스크리닝 정도를 규명하기 위해.
• 이 시스템에서 허브 U와 헌드 스핀 교환 J의 상대적 스크리닝 정도를 평가하기 위해.
• 일반적인 DFT+U 매개변수화 가정의 타당성을 평가하기 위해, 특히 구형 근사와 오비탈 기저 선택의 영향을 고려하기 위해.
• cRPA로 유도된 상호작용 매개변수들이 CaFeO3의 DFT+U 및 DFT+DMFT 계산에 적용 가능한지 검토하기 위해.
• 상호작용 매개변수에 영향을 미치는 관련 오비탈 정의 방식—원자 오비탈 기반과 분자 오비탈 유사 기반—의 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• CaFeO3에서 스크리닝된 전자-전자 상호작용을 계산하기 위해 제약 랜덤-phase 근사(cRPA)를 사용하였다.
• PBE 함수를 사용한 프로젝터 증강파( PAW) 기반 DFT 계산을 수행하였다.
• 상관 오비탈을 두 가지 방식으로 정의하였다: 표준 원자 오비탈 유사 기저와 Fe-d/O-p 전이 오비탈을 혼합한 기저로, 이는 명목 산화 상태를 반영한다.
• 워너이어 함수 투영을 통해 저에너지 효과 모델을 구축하고 상호작용 매개변수를 추출하였다.
• 다양한 오비탈 정의 방식 간의 상호작용 매개변수를 비교하고 국소 상호작용에 대한 구형 근사의 타당성을 평가하였다.
• 고온 및 저온 상에서의 구조적 왜곡에 대한 U와 J 의존성을 재검토하여 매개변수 선택의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CaFeO3에서 허브 U 매개변수는 어느 정도 스크리닝되며, 이는 헌드 스핀 교환 J의 스크리닝 정도와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 원자 오비탈 유사 기저와 혼합된 분자 오비탈 유사 기저를 사용한 경우, 상호작용 매개변수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CaFeO3에서 국소 전자-전자 상호작용에 대해 일반적으로 사용되는 구형 근사는 타당한가?
• RQ4 cRPA로 유도된 상호작용 매개변수들은 이 시스템의 DFT+U 및 DFT+DMFT 계산에 신뢰성 있게 적용될 수 있는가?
• RQ5 U와 J는 전하 비균형 절연 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 물리적 메커니즘은 헌드 금속성인지, Mott 절연체 모델인지 일치하는가?

주요 결과

• CaFeO3에서 허브 U는 강하게 스크리닝되어, 일반적인 DFT+U 추정치에 비해 효과적인 값이 크게 감소한다.
• 반면, 헌드 스핀 교환 J는 훨씬 덜 스크리닝되어, J가 전하 비균형 절연 상태의 물리적 거동을 지배함을 시사한다.
• 혼합된 Fe-d/O-p 전이 오비탈을 사용할 경우, 원자 오비탈 유사 기저보다 더 물리적으로 의미 있고 명목 산화 상태와 일치하는 상호작용 매개변수를 얻을 수 있다.
• 강한 오비탈 혼성화와 이방성으로 인해, CaFeO3에서는 국소 상호작용에 대한 구형 근사가 부적절하다는 것이 밝혀졌다.
• cRPA 결과는 상관 오비탈과 비상관 오비탈 간의 강한 얽힘이 있는 시스템에서는 DFT+U 계산에 직접 적용 가능한 범위가 제한됨을 보여준다.
• U와 J에 따른 구조적 왜곡의 의존성은 올바른 상호작용 매개변수가 절연 상과 격자 비대칭을 정확히 기술하는 데 필수적임을 확인한다.