[论文解读] Pressure induced redistribution of oxygen hole states in La$_{4}$Ni$_{3}$O$_{10}$

Guiwen Jiang, Liang Si+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2026

Chemical and Physical Properties of Materials被引用 0

一句话总结

本论文使用DFT和多轨道簇精确对角化显示压力如何将氧空穴态在La4Ni3O10中重新分布，使在室压时居中的层Zhang-Rice单态与层间3自旋极化子转变为在高压下外层形成的平面Zhang-Rice单态和共用的层间3自旋极化子。

ABSTRACT

Using density functional calculations and multi-orbital, multi-atom cluster exact diagonalization that includes local exchange and Coulomb interactions, we explored the local low-energy electronic states of trilayer La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ via a minimal Ni$_3$O$_{14}$ cluster. We find that, at ambient pressure, starting with all three Ni being nominally 2+ valence, one of the two extra holes is localized in the central NiO$_2$ layer forming a Zhang-Rice singlet (ZRS) with $d_{x^2-y^2}$ orbital. The other hole mainly occupies the antibonding combination of the two interplane O $p_z$ orbitals and thereby hybridizes with an out-of-plane three-spin-polaron (3SP) formed by the $d_{z^2}$ orbitals of three NiO$_2$ layers. In this way, the in-plane spin orientation alternation is carried by the $d_{x^2-y^2}$ orbitals of two outer layers with interlayer antiferromagnetic correlation. Simultaneously, the central layer is insulating with negligible magnetic moment. At high pressure, however, the two extra holes are concentrated on one of two outer layers and the inner layer separately forming the ZRS with $d_{x^2-y^2}$ orbitals or in-plane 3SP with neighboring cluster. We highlight the similarities between the bilayer La$_3$Ni$_2$O$_7$ and trilayer La$_4$Ni$_3$O$_{10}$ via possible charge and spin ordered states suggested by our cluster results.

研究动机与目标

• 理解压力如何改变三层镍酸盐的电子与磁性状态的动机与目标。
• 使用最小Ni3O14簇识别La4Ni3O10的局部低能态和空穴分布。
• 确定压力如何改变Ni d和O p轨道上的空穴定位以及由此产生的自旋相关性。
• 将环境压力下的电子配置与高压下的情形进行比较，以联系观测到的超导趋势。

提出的方法

• 进行DFT计算以获得结构与电子参数以及Ni d与O p态的Wannier投影。
• 构建包含Ni d_{x2-y2}、Ni d_{z2}、面内O p以及层间O p_z轨道的多轨道Ni3O14簇模型。
• 通过Racah参数(A,B,C)和Hund的耦合包含在位库仑相互作用。
• 通过对角化精确求解簇哈密顿量，得到基态及低激发态，作为t_pd与t_dO的函数。
• 在保持t_pd/t_dO比值不变以追踪相变的同时，变化混杂性以模拟压力效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在环境压力下La4Ni3O10中额外空穴如何在Ni d与O p轨道之间分布？
• RQ2 压力如何重新分配中央层与外层NiO2层之间的空穴？
• RQ3 在不同压力下重新分布的空穴所对应的自旋与磁相关性如何？
• RQ4 三层簇的结果是否可以与已知的双层镍酸盐物理及超导趋势相联系？

主要发现

• 室温压力下：一个空穴形成中央层的Zhang-Rice单态，与d_{x2-y2}相关，另一空穴驻留在抗键合的层间O p_z组合并耦合到由三个d_{z2}轨道形成的3自旋极化子。
• 高压下：两个额外空穴集中在外层，形成平面上的Zhang-Rice单态或平面3自旋极化子状态，且中央层也承载一个d_{x2-y2}空穴。
• 中央层在室温压力下变为绝缘且磁矩可忽略，而外层之间存在层间反铁磁相关性。
• 层间顶端O p_z空穴与z轨道杂化形成跨层耦合的3自旋极化子，压力促使配置转变，使空穴占据外层平面O态。
• 该研究强调与La3Ni2O7物理的相似性，暗示在压力下可能出现电荷/自旋有序态及相关的超导倾向。