[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究采用LDA-$N$MTO下折叠程序，为V₂O₃中的$t_{2g}$能带子带构建了Wannier轨道，结果表明：在平面内跃迁积分与垂直方向成对跃迁的强度相当。与广泛持有的分子态图像相反，结果表明V₂O₃处于原子态，这对理解其莫特绝缘体行为和轨道物理具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 将V₂O₃的电子结构以最小的、实空间中的Wannier基矢重新表达，以实现精确的多体建模。
• 重新评估V₂O₃中$t_{2g}$子带内平面内与垂直跃迁的相对重要性。
• 确定V₂O₃的电子行为是否符合Di Matteo等人定义的原子态或分子态。
• 检查自旋无序相与低温单斜相之间跃迁积分的稳定性。
• 为未来V₂O₃的动态平均场理论（DMFT）和轨道有序性研究提供一个定量的、实空间中的哈密顿量基矢。

提出的方法

• 在局域密度近似（LDA）框架下，采用N MTO下折叠方法，为V₂O₃中的$t_{2g}$能带构建了最大局域化的Wannier函数。
• 使用Stuttgart TB-LMTO-ASA代码生成自洽的LDA势，采用原子球近似和屏蔽球形波函数。
• 采用非正交、$N>1$的muffin-tin轨道基组（N MTOs），以提高标准Löwdin下折叠方法的精度。
• 在布里渊区上执行傅里叶变换，获得Wannier基矢中的实空间跃迁积分。
• 选择活性通道（如$t_{2g}$），并以势能球半径的0.7倍作为硬球半径，以优化局域化效果。
• 通过比较能带结构对方法进行验证，尽管N MTO实现是非自洽的，但结果与LDA结果保持一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在V₂O₃的自旋无序相中，$t_{2g}$子带内平面内与垂直跃迁积分如何比较？
• RQ2 V₂O₃的电子结构是否支持分子态图像（即垂直成对跃迁占主导）？还是更符合原子态？
• RQ3 从自旋无序相到低温单斜相转变时，跃迁积分发生了何种变化？
• RQ4 通过LDA-$N$MTO构建的Wannier轨道在多大程度上准确反映了V₂O₃的实空间电子结构？
• RQ5 所观察到的莫特转变和轨道有序性是否能在最小的、实空间的Wannier基矢中得到一致描述？

主要发现

• 在V₂O₃的$t_{2g}$子带中，平面内跃迁相互作用与垂直成对跃迁的强度相当，挑战了传统认为垂直耦合占主导的假设。
• 由Wannier轨道构建的实空间哈密顿量表明，该体系属于Di Matteo等人定义的原子态，而非分子态。
• 自旋无序相与低温单斜相之间跃迁积分的变化并不显著，表明该相变过程中电子结构具有较强的鲁棒性。
• $a_{1g}$轨道杂化和$dd\sigma$-类跃迁仍具重要性，但其重要性不及平面内$e_g^\pi$-轨道的跃迁。
• 结果支持对V₂O₃采用多轨道、$S=1$的描述，与极化X射线吸收谱数据一致，与单带Hubbard模型的假设相矛盾。
• Wannier轨道基矢为V₂O₃中轨道与自旋自由度的DMFT及其他多体处理方法提供了可靠且定量的起点。