[论文解读] Calculation of screened Coulomb interaction parameters for the charge-disproportionated insulator CaFeO$_3$

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

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 67被引用 2

一句话总结

本研究利用约束随机相位近似（cRPA）计算了电荷分离绝缘体CaFeO₃中的屏蔽库仑相互作用参数，发现Hubbard U受到强烈屏蔽，而Hund交换作用J则相对未被屏蔽。结果表明，J主导了绝缘态的物理行为，支持由Hund金属性驱动的机制，而非Mott物理机制，验证了常见DFT+U参数化假设的同时，也指出了在轨道高度纠缠体系中的局限性。

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.

研究动机与目标

• 确定CaFeO₃（一种电荷分离绝缘体）中局域库仑相互作用U的屏蔽程度。
• 评估该体系中Hubbard U与Hund交换作用J的相对屏蔽程度。
• 评估常见DFT+U参数化假设（特别是球形近似和轨道基选择）的有效性。
• 检验cRPA导出的相互作用参数在CaFeO₃的DFT+U与DFT+DMFT计算中的适用性。
• 研究相关轨道定义（原子轨道型与分子轨道型）对相互作用参数的影响。

提出的方法

• 采用约束随机相位近似（cRPA）计算CaFeO₃中的屏蔽电子-电子相互作用。
• 基于密度泛函理论（DFT）计算，采用投影缀加平面波（PAW）方法与PBE泛函。
• 以两种方式定义相关d轨道：标准原子轨道型基与具有名义氧化态特征的杂化Fe-d/O-p前线轨道。
• 利用Wannier函数投影构建低能有效模型，并提取相互作用参数。
• 比较不同轨道定义下的相互作用参数，并评估局域相互作用的球形近似。
• 重新审视高、低温相中结构弛豫对U和J的依赖性，以验证参数选择的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hubbard U在CaFeO₃中的屏蔽程度如何？与Hund交换作用J的屏蔽程度相比有何差异？
• RQ2 采用不同相关轨道选择（原子轨道型或杂化分子轨道型）如何影响计算得到的相互作用参数？
• RQ3 在CaFeO₃中，局域电子-电子相互作用的常用球形近似是否有效？
• RQ4 cRPA导出的相互作用参数能否可靠地用于该体系的DFT+U与DFT+DMFT计算？
• RQ5 U与J在稳定电荷分离绝缘态中的作用是什么？其物理机制是否符合Hund金属或Mott绝缘体图像？

主要发现

• CaFeO₃中的Hubbard U受到强烈屏蔽，其有效值显著低于典型的DFT+U估算值。
• 相比之下，Hund交换作用J的屏蔽程度要小得多，表明J主导了电荷分离绝缘态的物理行为。
• 采用杂化Fe-d/O-p前线轨道可得到更具物理意义且与名义氧化态一致的相互作用参数，优于原子轨道型基。
• 由于强轨道杂化与各向异性，CaFeO₃中局域相互作用的球形近似不适用。
• cRPA结果在具有强关联与非关联轨道纠缠的体系中，对DFT+U的直接适用性有限。
• U与J对结构弛豫的依赖性验证了：正确选择相互作用参数对准确捕捉绝缘相与晶格畸变至关重要。