[논문 리뷰] Theoretical and experimental evidence of a site-selective Mott transition in Fe2O3 under pressure

Eran Greenberg, I. Leonov외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 08.

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences참고 문헌 60인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 고압 조건에서 헤마티트(Fe₂O₃)에서의 현상학적이고 이론적 증거를 제시한다. 이 전이에서는 Fe³⁺ 이온의 절반만 비정상적으로 이동 가능하고 금속성이 되며, 나머지 절반은 국소화된 상태를 유지한다. 이 전이가 일어나는 압력 범위는 50–68 GPa이며, 국소적 스핀 모멘트의 사이트에 따라 붕괴되고 강한 전자 상호작용이 나타나며, 패배 에너지 수준 근처에서 효과적 질량 보정 계수 m*/m ~4–6가 관측된다. 이는 기존의 Mott 전이와는 다를 바 있는 새로운 형태의 압력 유도 금속화 현상임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 극한의 압력 조건에서 Fe₂O₃의 전자적 및 자성 반응, 특히 절연체에서 금속으로의 전이의 성격을 조사하는 것.
• 전이 과정에서 3d 전자가 균일하게 금속화되는 것이 아니라, 특정 사이트에서만 이동 가능한 전자로 전이되는지 확인하는 것.
• 전자 상호작용과 격자 구조가 비균일한 Mott 전이를 이끄는 데 기여하는 역할을 탐색하는 것.
• 압력 감소 과정에서의 복귀 가능성과 전자 구조의 변화를 분석하여 전자적 자유도와 격자 자유도가 분리되는지 테스트하는 것.

제안 방법

• Fe 이온의 국소 전자적 및 자성 환경을 조사하기 위해 고압 모스바우어 스펙트로스코피를 활용.
• 압력 하에서의 구조적 변화와 배위수 변화를 추적하기 위해 X선 회절 측정을 수행.
• 금속화 현상을 탐지하고 캐리어 이동도를 정량화하기 위해 전기적 운반성 측정을 실시.
• 전자 상호작용을 모델링하고 사이트 선택적 행동을 예측하기 위해 동적 평균장 이론(DFT+DMFT) 계산을 수행.
• 결정 구조의 변화 분석: R¯3c → P2₁/n → Aba2로의 전이 과정에서 고유한 Fe 배위수 사이트(VI 및 VIII)의 변화를 분석.
• 실험 데이터를 이론적 예측과 비교하여 사이트 선택적 Mott 전이의 특성을 확인하는 데 초점

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe₂O₃는 고압 조건에서 사이트 선택적 Mott 전이를 겪는가? 즉, Fe 이온의 일부만 금속성이 되는가?
• RQ2 고압에서 Fe₂O₃의 3d 전자 이동 가능화를 이끄는 전자 상호작용의 역할은 무엇인가?
• RQ3 전이 과정에서 국소 자화 모멘트와 전자 구조는 어떻게 변화하는가? 이 행동은 복귀 압력 조건에서 복원 가능한가?
• RQ4 전이 과정에서 격자 자유도와 전자 자유도가 얼마나 분리되는가? 이는 진정한 Mott 전이를 의미하는가?
• RQ5 사이트 선택적 금속성 상에서 패배 에너지 수준 근처의 전하 운반자의 효과적 질량 증폭 계수는 얼마인가?

주요 결과

• Fe₂O₃에서 사이트 선택적 Mott 전이가 50–68 GPa 범위에서 발생하며, 이 과정에서 Fe 이온의 절반만 금속성이 되고 나머지 절반은 국소화된 상태를 유지한다.
• 이 전이는 사이트에 따라 달라지는 국소 자화 모멘트 붕괴로 특징지어지며, VI 배위수에 있는 Fe³⁺(HS) 이온은 국소화된 상태를 유지하고, VIII 배위수에 있는 이온은 이동 가능해지며 금속성 상태(Feᴹ)가 된다.
• P2₁/n 상에서 패배 에너지 수준 근처에서 효과적 질량 보정 계수 m*/m ~4–6가 관측되며, 강한 전자 상호작용과 전자 이동도 감소를 나타낸다.
• 압력 감소 후, 시스템은 동일한 P2₁/n 구조에서 기존의 Mott 절연체 상태로 복귀하며, 전자적 자유도와 격자 자유도의 분리가 확인된다.
• 더 높은 압력에서의 최종 금속성 상은 Aba2 구조를 취하며, 이 경우 모든 Fe 이온이 이동 가능하고 완전히 금속성이 된다.
• 전이 과정은 균일하지 않으며, 서로 다른 Fe 이온 사이트에서 국소화된 전자와 이동 가능한 전자가 공존함으로써, 새로운 형태의 사이트 선택적 Mott 전이를 정의한다.