[论文解读] Mott and spin-Peierls physics in TiPO$_4$ under high pressure

H. Johan M. Jönsson, Marcus Ekholm+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2019

Advanced Chemical Physics Studies被引用 1

一句话总结

本研究结合从头算计算与实验数据，探究了TiPO4在高压下的莫特（Mott）与自旋-贝利斯（spin-Peierls）物理行为，发现压力可在室温下稳定一种二聚化、绝缘的相态，并形成自旋单重态。该工作确立了TiPO4作为VO2的直接类比体系，展示了关联辅助的贝利斯转变：电子关联与晶格二聚化共同驱动高压下形成莫特绝缘态。

ABSTRACT

TiPO$_4$ is a Mott insulator and one of few inorganic compounds featuring a spin-Peierls phase at low temperature. Recent experimental studies have suggested the presence of spin-Peierls dimerization also at ambient temperature though at high pressure. Here, we present a combined experimental and theoretical study of the energetics of the high-pressure phase. We analyse dimerization properties and their coupling to spin degrees of freedom. Most importantly, we argue that TiPO$_4$ resents a direct analogue to the celebrated binary transition metal oxide VO$_2$. TiPO$_4$ allows to assess spin-dimer physics in the high-pressure regime in a controlled fashion, having the potential to become an important model system representative of the class of dimerized transition metal oxides.

研究动机与目标

• 理解高压下TiPO4中电子关联、晶格二聚化与自旋自由度之间的相互作用。
• 确定TiPO4中观察到的高压相是否为室温下具有自旋-贝利斯二聚化的莫特绝缘体。
• 确立TiPO4作为研究关联辅助贝利斯转变的模型体系，类比于VO2。
• 研究电子关联（通过LDA+U）与结构畸变在稳定绝缘相中的作用。
• 将理论预测与实验X射线衍射及电子结构数据进行对比，以验证二聚化与能隙打开的机制。

提出的方法

• 采用LDA和LDA+U泛函的从头算密度泛函理论（DFT）计算，其中Hubbard U参数分别为2.0和3.0 eV。
• 对TiPO4在不同压力下的相I、相II和相III进行结构弛豫与电子结构计算。
• 计算总态密度（DOS）与自旋极化态密度，并投影到Ti 3d轨道，以分析电子关联与自旋态。
• 分析二聚化参数δ（Ti–Ti距离调制）与八面体倾斜角随压力的变化。
• 在Ti原子周围建立局域坐标系，计算轨道分辨的电荷密度，评估杂化作用的变化。
• 将计算得到的物态方程、晶格常数与磁矩与X射线衍射及结构测量的实验数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 实验结果提示TiPO4在室温下高压是否诱导自旋-贝利斯转变？
• RQ2 在TiPO4的高压相中，电子关联（莫特物理）与晶格二聚化（贝利斯物理）如何共存并相互影响？
• RQ3 TiPO4在驱动金属-绝缘体转变的电子与结构机制方面，与VO2的类比程度如何？
• RQ4 t2g与eg轨道能级分裂及杂化在压力下形成绝缘能隙的过程中起什么作用？
• RQ5 在二聚化的Ti链中，磁矩与自旋单重态如何随压力演化？

主要发现

• TiPO4的高压相III（P21nm，7 GPa）在c轴方向表现出Ti原子的强二聚化，四条不同的Ti链显示出反相调制的Ti–Ti距离。
• DFT+U计算显示在3.5 GPa时出现压力诱导的根本能隙打开，至32.3 GPa时增至约1.2 eV，证实为莫特绝缘态。
• 自旋极化态密度计算揭示二聚Ti对中存在自旋单重基态，自旋向上与自旋向下的通道能级接近简并，符合自旋-贝利斯物理特征。
• 在绝缘相中，Ti原子上的磁矩保持接近零，表明存在强自旋单重态形成，而总自旋极化被抑制。
• 四条Ti链的八面体倾斜角在5°至9°之间变化，计算值与实验值相差小于1°，验证了结构模型的可靠性。
• 计算得到的物态方程与晶格常数（a, b, c）与实验数据吻合良好，尤其在U = 2.0 eV时，支持LDA+U方法的可靠性。