[论文解读] 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 Pardo+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 9

一句话总结

该论文分析压力和电子相关性如何诱发 La3Ni2O7 的自旋态转换，并显示 Ni-dx2-y2 轨道在低能物理中主动支配，而非 Ni-dz2，即使在高压下。这一结论通过在 Amam 到 Fmmm 转变及氧含量变化下的 DFT+U 探讨。

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.

研究动机与目标

• 在压力背景下理解 La3Ni2O7 的电子与磁性结构，以期揭示潜在的超导现象
• 研究压力与电子相关性如何相互作用，从而塑造磁序和轨道活性
• 确定在费米能级附近主导的 Ni-3d 轨道，以及随着晶体结构相变的变化
• 评估氧化学计量在 La3Ni2O7 的电子结构与磁性中的作用

提出的方法

• 在 Amam 和 Fmmm 对称组下，对 La3Ni2O7 进行在压下的结构弛豫，使用含 GGA 的 DFT 和 500 eV 截止能
• 使用 AMF 与 FLL 双重计数方案，结合 DFT 与 DFT+U 计算电子结构
• 在 U 取 1–5 eV、J_H = 0.7 eV 的范围内，探索磁序（FM、AFM-A、AFM-G）
• 识别自旋态转换（高自旋到低自旋），并跟踪费米面附近 Ni-dz2 与 Ni-dx2−y2 的轨道分解贡献
• 分析 Ni-dz2 键合/非键合分裂、Ni-dx2−y2 带宽以及电荷转移能 Δ 的演变
• 考察氧缺陷对电子结构的影响

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

实验结果

研究问题

• RQ1 La3Ni2O7 是否会经历压力诱导的自旋态转换？若会，其特征为何？
• RQ2 在从 Amam 到 Fmmm 转变过程中，哪些 Ni-3d 轨道主导低能电子结构靠近费米能级？
• RQ3 不同的 DFT+U 双重计数方案（AMF 与 FLL）如何影响在压力下预测的磁性基态？
• RQ4 氧化学计量在压力下对 La3Ni2O7 的电子结构与磁性的作用是什么？

主要发现

• 在与 cRPA 一致的 U（2–4 eV）区间内，发生从高自旋到低自旋的压力诱导自旋态转变，发生在接近 Amam-to-Fmmm 转变、约 10 GPa 处
• 在压力-相关性相空间中，Ni-dx^2−y^2 轨道仍然积极参与并驱动磁性行为，即使 Ni-dz^2 状态在费米能级处存在
• 在常温高自旋相中，Ni-dz^2 键合/反键分裂和 Ni-dx^2−y^2 带宽在压力下发生改变，低自旋态在费米能级显示 dx^2−y^2 优势
• 在高压下的低自旋基态（实验上观察到超导性）由 Ni-dx^2−y^2 轨道主导，可能与铜酸盐有相似之处，而高自旋态对超导性不太有利
• 氧缺陷并未消除 Ni-dx^2−y^2 的活性作用，在不同化学计量下保持 dx^2−y^2–driven 的电子结构
• 从 Amam 到 Fmmm 的结构转变（抑制 NiO6 倾斜）被再现，在完全弛豫下可能倾向于 I4/mmm，与最近的实验一致

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-