[논문 리뷰] Electronic structure and magnetic properties of La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ under pressure: active role of the Ni-$d_{x^2-y^2}$ orbitals

Harrison LaBollita, Víctor Pardo외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 29.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 9

한 줄 요약

본 논문은 압력과 전자 상관이 La3Ni2O7에서 스핀 상태 전이를 어떻게 유도하는지 분석하고, Ni-dx2-y2 궤도가 Ni-dz2가 아니라 저에너지 물리를 적극적으로 지배한다는 것을 보여준다. 이는 Amam에서 Fmmm 전이 및 산소 비화학 조성 변화에 걸친 DFT+U를 통해 탐구된다.

ABSTRACT

Following the recent report of superconductivity in the bilayer nickelate La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ under pressure, we present an analysis of the electronic and magnetic properties of La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$ as a function of pressure using correlated density functional theory methods (DFT+$U$). At the bare DFT level, the electronic structure of the ambient and high-pressure phases of La$_{3}$Ni$_{2}$O$_{7}$are qualitatively similar. Upon including local correlation effects within DFT+$U$ and allowing for magnetic ordering, we find a delicate interplay between pressure and electronic correlations. Within the pressure-correlations phase space, we identify a region (at $U$ values consistent with constrained RPA) characterized by a high spin to low spin transition with increasing pressure. In contrast to previous theoretical work that only highlights the crucial role of the Ni-$d_{z^2}$ orbitals in this material, we find that the Ni-$d_{x^{2}-y^{2}}$ orbitals are active upon pressure and drive this rich magnetic landscape. This picture is preserved in the presence of oxygen deficiencies.

연구 동기 및 목표

• 발현하는 초전도성과 맥락에서 압력 하의 La3Ni2O7의 전자 구조와 자기 구조를 이해하는 모티브를 부여한다
• 압력과 전자 상관이 상호 작용하여 자기 순서와 궤도 활동을 어떻게 형성하는지 조사한다
• 페르미 준위에 근접한 Ni-3d 궤도 중 어느 것이 지배적이며, 구조적 위상 전이와 함께 이것이 어떻게 달라지는지 결정한다
• La3Ni2O7의 전자 구조와 자기에 대한 산소 조성의 역할을 평가한다

제안 방법

• GGA를 사용하고 500 eV 컷오프를 적용한 DFT로 Amam 및 Fmmm 공간군에서 La3Ni2O7의 압력 하 구조 이완을 수행한다
• AMF 및 FLL 이중 계산 방식으로 DFT 및 DFT+U를 사용하여 전자 구조를 계산한다
• 1–5 eV의 U 범위와 J_H = 0.7 eV에서 FM, AFM-A, AFM-G를 포함한 자기 순서를 탐구한다
• HS에서 LS로의 스핀 상태 전이를 식별하고 페르미 준위 근처의 Ni-dz2와 Ni-dx2-y2의 궤도 해상 기여를 추적한다
• Ni-dz2 결합/반결합 분리, dx2-y2 대역폭, 그리고 전하 전이 에너지 Δ의 진화를 분석한다
• 산소 결손이 전자 구조에 미치는 영향을 조사한다

Figure 1: Crystal structures and structural data of La 3 Ni 2 O 7 from DFT. (a) Crystal structure for La 3 Ni 2 O 7 in the low-symmetry Amam (left) and high-symmetry Fmmm (right) phases. Small red spheres represent oxygen atoms, forming octahedral cages around the Ni (gray) atoms. The green spheres

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La3Ni2O7이 압력으로 유발되는 스핀 상태 전이를 겪는가, 그렇다면 그 특성은 무엇인가?
• RQ2 Amam에서 Fmmm 전이에 걸쳐 페르미 준위 근처의 저에너지 전자 구조에서 어떤 Ni-3d 궤도가 지배적인가?
• RQ3 압력하에서 서로 다른 DFT+U 이중 계산 방식(AMF 대 FLL)이 예측된 자기적 바닥 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 압력하에서 La3Ni2O7의 전자 구조 및 자기에서 산소 조성의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• cRPA와 일치하는 U(2–4 eV)의 범위에서 Amam-to-Fmmm 전이 부근인 약 10 GPa에서 고스핀에서 저스핀으로의 압력 유도 스핀 상태 전이가 발생한다
• 압력-상관 위상 공간에 걸쳐 Ni-dx^2−y^2 궤도는 계속 적극적으로 관여하며 자기 거동을 주도하므로 Ni-dz^2 상태가 페르미 준위에 존재하더라도 관여한다
• 거주 HS 위상에서 압력 하에 Ni-dz^2 결합/반결합 분리 및 Ni-dx^2−y^2 대역폭이 변하고 LS 상태에서 페르미 준위에서 dx^2−y^2 우세를 보인다
• 실험적으로 초전도가 관찰되는 높은 압력에서의 LS 바닥 상태는 Ni-dx^2−y^2 궤도들에 의해 지배되며 구페레이드와 유사한 특성을 보일 수 있지만 HS 상태는 초전도에 덜 유리하다
• 산소 결손은 Ni-dx^2−y^2의 활성 역할을 제거하지 못하며, 조성 변화에 걸쳐 dx^2−y^2–driven 전자 구조를 유지한다
• NiO6 기울기의 억제가 동반되는 Amam에서 Fmmm으로의 구조 전이가 재현되며, 완전 이완 시 I4/mmm 쪽으로의 경향이 가능해 최근 실험과 일치한다

Figure 2: LDA non-magnetic electronic structure of La 3 Ni 2 O 7 in the ambient pressure Amam phase (top row) and in the Fmmm phase at P = 29.5 GPa (bottom row). (a,d) Orbital resolved density of states (DOS) for the La, Ni, and O atoms (upper panels) and partial density of states (PDOS) for the Ni-