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4d、5d关联电子体系中复自旋-轨道序和自旋-轨道激发的理论研究

批准号:
12074384
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
张国仁
依托单位:
学科分类:
凝聚态物质电子结构
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张国仁

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
较强的自旋-轨道耦合使得“自旋序”、“轨道序”和相应的准粒子激发不足以描述4d、5d关联电子体系的物性。因此,我们引入能够体现自旋-轨道耦合这一能量尺度的量子序和准粒子激发-“复自旋-轨道序”和“自旋-轨道激发”来表征它们的性质。本项目以Ca2-xSrxRuO4、Sr2IrO4及Sr2YIrO6(Ba2YIrO6)等氧化物为载体,利用密度泛函理论+动力学平均场方法结合线性响应函数及多体微扰方法研究4d、5d体系中自旋-轨道耦合相对于晶体场、Hund耦合、能带宽度等在决定复自旋-轨道序和自旋-轨道激发时的重要程度以及自旋-轨道耦合与这些能量尺度之间的耦合关系。同时发展新的计算方法来更好地处理低温条件下4d、5d体系中和自旋-轨道耦合相关的问题。这项研究不仅有助于理解或证实一系列有别于3d体系的新奇物理现象,还有助于探索铜基高温超导的机理。
英文摘要
Relatively stronger spin-orbit coupling makes concepts “orbital ordering”, “spin ordering” and corresponding quasi-particle excitations insufficient to describe the properties of 4d and 5d correlated electron systems. Therefore, to characterize these systems, we introduce new concepts, “complex spin-orbit ordering”, “spin-orbit excitation” which can embody the energy scale of spin-orbit coupling. By applying multiple techniques, density functional theory + dynamical mean field theory, linear response theory, and many-body perturbation theory on typical compounds, Ca2-xSrxRuO4, Sr2IrO4 and Sr2YIrO6 (Ba2YIrO6), we investigate the relative role of spin-orbit coupling to crystal field splitting, Hund coupling and bandwidth in determining the complex spin-orbit orderings and spin-orbit excitations of 4d and 5d correlated electron systems. At the same time, we study the interplay between these energy scales. The outcomes of this project can help not only to understand or confirm a series of novel phenomena different from those of 3d electron systems, but also to explore the mechanism of superconductivity in cuprates.
强的自旋-轨道耦合使得4d、5d关联电子体系展现出与3d体系迥异的性质。但是关于它们的研究还处于初级阶段。本项目团队深入地研究了典型的4d、5d关联电子体系的基态和低能激发态,发展了适用于这些体系的计算方法。主要研究结果如下:(1)通过理论计算和角分辨光电子发射谱实验,证实了过去十多年来被广泛接受的jeff=1/2单带模型不足以描述Sr2IrO4的低能性质。(2)建立了t2gn组态的准二维钙钛矿4d、5d关联电子体系的晶体场效应“地图”;发现晶体场主要通过自然轨道的形式和占据数来控制这些体系的电子性质;此“地图”可以在一个简单的框架下将这一系列材料的电子性质变化趋势展现出来。(3)搞清楚了Sr2IrO4在高压下仍然保持绝缘性的原因: Sr2IrO4中电子间的库仑相互作用随着压力增大而变强,导致了电子间的库仑相互作用和能带宽度的比值U/W基本不随压力的改变而改变,使得该体系即使在很高的压力下也非常接近于绝缘体-金属相变临界点;如果进而计入其它的弱相互作用Sr2IrO4将进入绝缘状态。(4)确定了Sr2IrO4中两种可能的磁相互作用图像:(a)如果Sr2IrO4处于强电子-电子关联区域,它的最近邻磁交换可以很好地用二阶超交换相互作用描述,而实验上通过测量自旋波得到的较大的第二和第三近邻磁耦合则可能需要考虑其他自由度及铁磁库仑交换作用来解释; (b)如果Sr2IrO4处于中间强度电子-电子关联区域, 较大的洪特耦合可以导致大的四阶第二近邻铁磁耦合和环形交换作用,其余的现象可以用量子涨落来解释。(5)编写了用于计算4d、5d关联电子体系中赝自旋波色散关系、自旋-轨道激子色散关系的程序。本项目的研究不仅有助于深入理解4d、5d关联电子体系的基本电、磁、轨道性质,从而构建不同于3d电子体系的研究范式,而且有助于揭示铜基超导的物理机制。
4d、5d关联电子体系中的Jahn-Teller效应
  • 批准号:
    12574267
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    53.00万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    张国仁
  • 依托单位:
国内基金
海外基金