CaMn $$의 상관관계 대 혼성화 격차

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9271(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

우리는 혼성화 갭 반도체 후보인 CaMn\(_2\)Bi\(_2\)의 저에너지 전자 구조에서 전자 상관관계와 혼성화 사이의 상호 작용을 연구합니다. DFT+U 접근 방식을 사용함으로써 우리는 반강자성 Néel 차수와 밴드 갭이 해당 실험 값과 잘 일치하는 것을 발견했습니다. 정수압 하에서 우리는 혼성화와 상관 관계의 섬세한 균형으로 인해 혼성화 간격에서 전하 전달 모욕 물리학으로의 교차를 발견합니다. \(P_c=4\) GPa 이상의 압력을 증가시키면 동시 압력 유발 부피 붕괴, 평면-체인, 절연체-금속 전이를 발견합니다. 마지막으로 연구된 모든 압력에 대해 반강자성 CaMn\(_2\)Bi\(_2\)의 토폴로지를 분석했습니다.

페르미온 상관 시스템의 전자 구조는 전자가 파동으로 퍼지는 경향과 입자로 국지화되는 경향 사이의 경쟁에 의해 구동됩니다. 후자는 일반적으로 자성을 동반합니다. 즉, 스핀과 전하 자유도의 상호 작용이 핵심 문제입니다. 적층형 2차원(2D) 재료는 고온 초전도2,3,4, 중요한 토폴로지 절연 및 반금속 상5, 양자 스핀 액체 상태6를 포함한 풍부한 상태 다이어그램을 생성하는 전자 상태의 이중 특성을 연구하기 위한 고유한 플랫폼을 제공합니다. , 그리고 이상한 금속 거동7.

특히, 철 기반 초전도체는 20088년 La[O\(_{1-x}\)F\(_x\)]FeAs에서 비전통적인 고온 초전도성이 발견된 이후 활발한 실험적, 이론적 연구가 진행되어 왔다. 그 이후로 FeSe, LiFeAs, RFeAsO(R = 희토류), AFe\(_2\)As\(_2\)(A = Ca, Sr, Ba, Eu)는 각각 '11', '111', '1111' 및 '122' 유형 구조로 불립니다9. 56K의 가장 높은 초전도 전이 온도는 1111 유형 화합물 Gd\(_{0.8} \)목\(_{0.2}\)FeAsO10.

초전도 전이 온도를 향상시키고 새로운 깨진 대칭 상을 찾기 위해 Fe는 Cr, Mn, Co 및 Ni와 같은 다른 전이 금속으로 대체되었습니다. 이러한 등구조 화합물은 금속(Co 기반), 순회 반강자성(Cr 기반), 초전도(Ni 기반) 및 반도체 반강자성(Mn 기반) 거동을 포함한 새로운 바닥 상태를 형성합니다. Mn 기반 닉티드는 고온 구리산염 초전도체의 현상학과 유사하기 때문에 특별한 관심을 받았습니다. 특히, Mn 기반 화합물은 도핑이나 압력 적용 시 절연체-금속 전이를 나타내지만, 다른 화합물에서는 압력 유도 초전도가 관찰되지만 초전도성은 아직 보고되지 않았습니다. Mn 기반 재료18,19. 일반적으로 이는 망간프닉타이드가 프닉타이드와 구리산염 물질 계열 사이에 다리를 형성할 가능성이 있음을 시사합니다.

최근의 실험적 및 이론적 연구에서는 CaMn\(_2\)Bi\(_2\)가 큰 이방성 자기 저항 및 평면-체인 구조 전이를 비롯한 많은 흥미로운 특성을 호스팅하는 것으로 나타났습니다. 가장 흥미롭게도 CaMn\(_2\)Bi\(_2\)가 혼성화 갭 반도체일 수 있다는 것이 제안되었습니다. 이 주장에 따라 저온 전기 운송 측정에서는 압력 하에서 간격이 약간 증가하는 것으로 나타났습니다24. 이러한 유형의 거동은 Ce\(_3\)Bi\(_4\)Pt\(_3\) 및 기타 무거운 페르미온 화합물25,26,27과 유사합니다. 따라서 CaMn\(_2\)Bi\(_2\)는 큐프레이트, 프니타이드 및 중페르미온 시스템 간의 연결을 제공할 수 있습니다.

이 기사에서는 CaMn\(_2\)Bi\(_2\)의 전자 및 자기 구조에 대한 첫 번째 원리 조사를 제시합니다. 우리는 전자 상관관계와 혼성화 사이의 섬세한 균형이 압력에 민감하게 의존하여 밴드 갭의 비단조적인 동작을 초래한다는 것을 발견했습니다. 깨끗한 경우 효과적인 Hubbard U를 포함하여 정확한 바닥 상태를 얻을 수 있습니다. 이는 GGA-PBE가 금속을 예측하는 초기 이론적 연구에 대한 실험과의 일치를 크게 향상시키는 반면 하이브리드 기능은 차수만큼 차이를 극적으로 과대평가합니다. -크기24. 좋은 일치는 또한 압력 효과 연구에 중요한 출발점을 제공합니다. 정수압이 가해지면 CaMn\(_2\)Bi\(_2\)가 최대 3 GPa의 혼성화 간격 물질로 작용하고 더 큰 압력에 대한 상관 관계 기반 화합물로 작용하는 것을 발견했습니다. 가장 놀랍게도 우리는 동시에 금속 바닥 상태를 생성하는 \(P_c=4\) GPa에서 평면-체인 구조 전이로 인해 큰 볼륨 붕괴를 발견합니다. 더욱이, 스핀(궤도) 망간 자기 모멘트는 임계 압력에 걸쳐 크게 감소(증가)합니다. 예측된 임계 압력과 부피 붕괴는 실험값과 잘 일치합니다. 마지막으로, 우리는 또한 반강자성 CaMn\(_2\)Bi\(_2\)가 연구된 모든 압력에 대해 위상적으로 사소한 것임을 발견했습니다.