[論文レビュー] Electronic structure of V2O3: Wannier orbitals from LDA-$N$MTO calculations

T. Saha-Dasgupta, O. K. Andersen+4 more|ArXiv.org|Jul 16, 2009

Transition Metal Oxide Nanomaterials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、LDA-$N$MTOダウンフォールディング手順を用いて、V₂O₃の$t_{2g}$バンドマンフォールドに対するワニエ軌道を構築し、面内 hopping 相互作用が垂直方向ペア hopping と同等に重要であることが明らかになった。広く受け入れられている分子的状態の見方とは対照的に、結果はV₂O₃が原子的状態に位置することを示しており、Mott絶縁体としての挙動や軌道物理学に強く影響を与える。

ABSTRACT

Using muffin-tin orbital (MTO) based NMTO-downfolding procedure within the framework of local density approximation, we construct the Wannier orbitals for the $t_{2g}$ manifold of bands in V2O3 in the paramagnetic phase. The real space representation of the one-electron Hamiltonian in the constructed Wannier function basis shows that, contrary to the popular belief, the in-plane hopping interactions are as important as the vertical pair hopping. Following the language of Di Matteo {\it et.al.} [Phys. Rev. B 65, 054413 (2002)], this implies, the problem of V2O3 falls in the atomic regime rather than in the molecular regime. We have also repeated our construction procedure in the low temperature monoclinic phase, for which the changes in hopping interactions are found not to be dramatic.

研究の動機と目的

• V₂O₃の電子構造を、正確な多体モデル化に適した最小限の実空間ワニエ基底で再表現すること。
• V₂O₃の$t_{2g}$マンフォールドにおける面内 hopping と垂直 hopping の相対的重要性を再評価すること。
• V₂O₃の電子的挙動が、Di Matteo らが定義する原子的状態か分子的状態かを特定すること。
• パラ磁性相と低温モノクロイズミック相の間で hopping 积分の安定性を検証すること。
• 今後の動的平均場理論（DMFT）および軌道秩序に関する研究のための定量的で実空間のハミルトニアン基底を提供すること。

提案手法

• 局所密度近似（LDA）におけるN MTOダウンフォールディング法を用いて、V₂O₃の$t_{2g}$バンドの最大局在ワニエ関数を構築した。
• スタットガルトTB-LMTO-ASAコードを用いて、自己無撞撲LDAポテンシャルを生成し、原子球近似とスクリーンド球面波を用いた。
• 標準的なLöwdinダウンフォールディングよりも精度を向上させるために、非直交基底としての muffin-tin 軌道（N MTO）を$N>1$で用いた。
• ブリユアンゾーン全体にわたるフーリエ変換を実行し、ワニエ基底における実空間 hopping 积分を取得した。
• 活性チャネル（例：$t_{2g}$）を選択し、局在化を最適化するために、ハードスフィア半径をポテンシャル球半径の0.7倍に設定した。
• バンド構造の比較とLDA結果との一貫性を確認することで、非自己無撞撲N MTO実装でも手法の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パラ磁性相におけるV₂O₃の$t_{2g}$マンフォールドで、面内 hopping と垂直 hopping の積分はどのように比較されるか？
• RQ2 V₂O₃の電子構造は、垂直ペア hopping が支配的であるという分子的状態の図式を支持するのか、それとも原子的状態に位置するのか？
• RQ3 パラ磁性相から低温モノクロイズミック相に遷移する際、hopping 积分にどのような変化が生じるか？
• RQ4 LDA-$N$MTOによって構築されたワニエ軌道は、V₂O₃の実空間電子構造をどれほど正確に表現できるか？
• RQ5 観察されたMott転移および軌道秩序は、最小限の実空間ワニエ基底で一貫して記述可能か？

主な発見

• V₂O₃の$t_{2g}$マンフォールドにおける面内 hopping 相互作用は、垂直ペア hopping と同等に重要であり、従来の垂直結合が支配的であるという仮定に疑問を呈する。
• ワニエ軌道から構築された実空間ハミルトニアンは、Di Matteo らが定義する原子的状態に属することを示しており、分子的状態とは異なる。
• パラ磁性相と低温モノクロイズミック相の間でhopping 积分に顕著な変化は認められず、相転移に伴う電子構造の頑健さが示された。
• $a_{1g}$軌道の混合と$dd\sigma$-型 hopping は依然として重要であるが、面内$e_g^\pi$-軌道の hopping よりも優位ではない。
• 結果は、V₂O₃が多軌道的かつ$S=1$の記述に従うことを支持しており、偏光X線吸収データとも整合するが、単一バンド Hubbard モデルの仮定とは矛盾する。
• ワニエ軌道基底は、V₂O₃における軌道的およびスピン的自由度のDMFTや他の多体処理のための信頼できる定量的出発点を提供する。