[论文解读] Theoretical and experimental evidence of a site-selective Mott transition in Fe2O3 under pressure

Eran Greenberg, I. Leonov+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2017

High-pressure geophysics and materialsEarth and Planetary Sciences参考文献 60被引用 17

一句话总结

本研究通过实验与理论证据，揭示了赤铁矿（Fe₂O₃）在高压下发生的一种位点选择性莫特转变，其中仅一半的Fe³⁺离子发生离域化并呈现金属性，而另一半则保持局域化。该转变发生在50–68 GPa之间，其特征为局域磁矩的位点依赖性坍塌以及强电子关联效应，费米能级附近有效质量重整化m*/m ~4–6，表明这是一种与传统莫特转变不同的新型压力诱导金属化形式。

ABSTRACT

We provide experimental and theoretical evidence for a novel type of pressure-induced insulator-metal transition characterized by site-selective delocalization of the electrons. Mössbauer spectroscopy, X-ray diffraction and electrical transport measurements on Fe$_2$O$_3$ to 100 GPa, along with dynamical mean-field theory (DFT+DMFT) calculations, reveal this site-selective Mott transition between 50 and 68 GPa, such that the metallization can be described by ($^ m{VI}$Fe$^{3+ m{HS}}$)$_2$O$_3$ [$R\bar{3}c$ structure] $\overrightarrow{ iny m{50~GPa}}$ ($^ m{VIII}$Fe$^{3+ m{HS~VI}}$Fe$^ m{M}$)O$_3$ [$P2_1/n$ structure] $\overrightarrow{ iny m{68~GPa}}$ ($^ m{VI}$Fe$^ m{M}$)$_2$O$_3$ [$Aba2$ structure]. Within the $P2_1/n$ crystal structure, characterized by two distinct coordination sites (VI and VIII), we observe equal abundances of ferric ions (Fe$^{3+}$) and ions having delocalized electrons (Fe$^ m{M}$), and only at higher pressures is a fully metallic $Aba2$ structure obtained, all at room temperature. The transition is characterized by delocalization/metallization of the $3d$ electrons on half the Fe sites, with a site-dependent collapse of local moments. Above $\sim$50 GPa, Fe$_2$O$_3$ is a strongly correlated metal with reduced electron mobility (large band renormalizations) of m*/m$\sim$4 and 6 near the Fermi level. Upon decompression, we observe a site-selective (metallic) to conventional Mott insulator phase transition ($^ m{VIII}$Fe$^{3+ m{HS~VI}}$Fe$^ m{M}$)O$_3$ $\overrightarrow{ iny m{50~GPa}}$ ($^ m{VIII}$Fe$^{3+ m{HS~VI}}$Fe$^{3+ m{HS}}$)O$_3$ within the same $P2_1/n$ structure, indicating a decoupling of the electronic and lattice degrees of freedom, characteristic of a true Mott transition. Our results show that the interplay of electronic correlations and lattice may result in rather complex behavior of the electronic structure and magnetic state.

研究动机与目标

• 研究Fe₂O₃在极端压力下的电子与磁性响应，特别是其绝缘体到金属的转变本质。
• 确定该转变是否涉及3d电子的位点选择性离域化，而非均匀金属化。
• 探讨电子关联与晶格结构在驱动非均匀莫特转变中的作用。
• 研究卸压过程中可逆性与电子结构演化，检验电子自由度与晶格自由度的解耦行为。

提出的方法

• 利用高压穆斯堡尔谱学探测Fe位点的局域电子与磁环境。
• 通过X射线衍射追踪压力下结构演化与配位数变化。
• 通过电输运测量检测金属化并量化载流子迁移率。
• 采用动力学平均场理论（DFT+DMFT）计算模拟电子关联效应并预测位点选择性行为。
• 分析从R¯3c到P2₁/n再到Aba2的晶体结构变化，识别出不同配位数的Fe位点（VI与VIII）。
• 将实验数据与理论预测进行对比，以确认位点选择性莫特转变的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe₂O₃在高压下是否发生位点选择性莫特转变，即仅部分Fe位点转变为金属性？
• RQ2 电子关联在高压下驱动Fe₂O₃中3d电子选择性离域化的过程中起何种作用？
• RQ3 在转变过程中，局域磁矩与电子结构如何演化？该行为在卸压后是否可逆？
• RQ4 在转变过程中，晶格自由度与电子自由度在多大程度上发生解耦，表明其为真正的莫特转变？
• RQ5 在位点选择性金属相中，费米能级附近的载流子有效质量增强程度如何？

主要发现

• 在Fe₂O₃中，50至68 GPa之间发生位点选择性莫特转变，其中仅一半的Fe位点转变为金属性，而另一半保持局域化。
• 该转变特征为局域磁矩的位点依赖性坍塌：位于VI位的Fe³⁺(HS)离子保持局域化，而位于VIII位的Fe离子则发生离域化（Feᴹ）。
• 在P2₁/n相中，费米能级附近观察到m*/m ~4–6的有效质量重整化，表明存在强电子关联效应并导致电子迁移率降低。
• 卸压后，系统恢复至相同P2₁/n结构的常规莫特绝缘体，证实了电子自由度与晶格自由度的解耦。
• 在更高压力下，最终的金属相采用Aba2结构，其中所有Fe位点均发生离域化并完全呈现金属性。
• 该转变并非均匀发生：系统在不同Fe位点上共存局域与离域电子，定义了一类新型的位点选择性莫特转变。