Correlación versus brecha de hibridación en CaMn $$ | Montaje magnético Co., Ltd de Henan

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9271 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

Estudiamos la interacción entre las correlaciones electrónicas y la hibridación en la estructura electrónica de baja energía de CaMn$_2$Bi$_2$, un semiconductor de brecha de hibridación candidato. Al emplear un enfoque DFT+U, encontramos que tanto el orden de Néel antiferromagnético como la banda prohibida están en buen acuerdo con los valores experimentales correspondientes. Bajo presión hidrostática, encontramos un cruce de la brecha de hibridación a la física insultante de transferencia de carga debido al delicado equilibrio de hibridación y correlaciones. Al aumentar la presión por encima de $P_c=4$ GPa, encontramos un colapso de volumen inducido por presión simultánea, transición de plano a cadena, de aislante a metal. Finalmente, también hemos analizado la topología en el CaMn$_2$Bi$_2$ antiferromagnético para todas las presiones estudiadas.

La estructura electrónica de los sistemas correlacionados fermiónicos está impulsada por la competencia entre las tendencias del electrón a dispersarse como onda y localizarse como partícula, esta última generalmente acompañada de magnetismo. Es decir, la interacción de los grados de libertad de espín y carga es un tema central1. Los materiales bidimensionales (2D) en capas proporcionan una plataforma única para estudiar esta naturaleza dual de los estados electrónicos que produce diagramas de fase ricos que incluyen superconductividad a alta temperatura2,3,4, fases semimetálicas y aislantes topológicas no triviales5, estados líquidos de espín cuántico6 , y extraño comportamiento del metal7.

En particular, los superconductores a base de hierro han estado bajo intenso estudio experimental y teórico desde el descubrimiento de la superconductividad no convencional de alta temperatura en La[O$_{1-x}$F$_x$]FeAs en 20088. Desde entonces, se descubrió una familia de compuestos con estructuras cristalinas en capas relacionadas y composiciones químicas que incluyen FeSe, LiFeAs, RFeAsO (R = tierra rara), AFe$_2$As$_2$ (A = Ca, Sr, Ba, Eu), denominadas estructuras de tipo '11', '111', '1111' y '122', respectivamente9. La temperatura de transición superconductora más alta de 56 K se ha encontrado en el compuesto de tipo 1111 Gd$_{0.8} $Th$_{0.2}$FeAsO10.

Para mejorar la temperatura de transición superconductora y buscar nuevas fases de simetría rota, se sustituyó el Fe y se reemplazó por otros metales de transición como Cr, Mn, Co y Ni. Estos compuestos isoestructurales forman nuevos estados fundamentales que incluyen un comportamiento metálico (basado en Co), antiferromagnético itinerante (basado en Cr), superconductor (basado en Ni) y antiferromagnético semiconductor (basado en Mn). Los pnictides basados en Mn despertaron especial interés debido a su similitud con la fenomenología de los superconductores de cuprato de alta temperatura. En particular, los compuestos a base de manganeso exhiben transiciones de metal-aislante al dopar o aplicar presión, pero aún no se ha informado sobre la superconductividad11,12,13,14,15,16,17, aunque se observa superconductividad inducida por presión en otros Materiales a base de manganeso18,19. En general, esto sugiere que los pnictidos de manganeso posiblemente formen un puente entre las familias de materiales de los pnictidos y cupratos.

Recientes estudios experimentales y teóricos encuentran que CaMn$_2$Bi$_2$ alberga muchas propiedades intrigantes, incluida una gran magnetorresistencia anisotrópica20 y una transición estructural de plano a cadena21. Lo más intrigante es que se ha sugerido que CaMn$_2$Bi$_2$ puede ser un semiconductor con brecha de hibridación22,23. De acuerdo con esta afirmación, las mediciones de transporte eléctrico a baja temperatura encuentran un ligero aumento de la brecha bajo presión24. Este tipo de comportamiento es similar al Ce$_3$Bi$_4$Pt$_3$ y otros compuestos de fermiones pesados25,26,27. Por lo tanto, CaMn$_2$Bi$_2$ podría proporcionar un vínculo entre los sistemas de cupratos, pnictides y fermiones pesados.

En este artículo, presentamos una investigación de primeros principios de la estructura electrónica y magnética de CaMn$_2$Bi$_2$. Encontramos que el delicado equilibrio entre las correlaciones electrónicas y la hibridación depende sensiblemente de la presión, lo que da como resultado un comportamiento no monótono de la banda prohibida. En el caso prístino, podemos obtener un estado fundamental preciso al incluir una Hubbard U efectiva, lo que mejora significativamente el acuerdo con los experimentos sobre estudios teóricos anteriores donde GGA-PBE predice un metal22, mientras que el funcional híbrido sobreestima dramáticamente la brecha en un orden -de-magnitud24. El buen acuerdo también proporciona un importante punto de partida para el estudio de los efectos de la presión. Bajo presión hidrostática aplicada, encontramos que el CaMn$_2$Bi$_2$ se comporta como un material de brecha de hibridación hasta 3 GPa y un compuesto impulsado por correlación para presiones más grandes. Lo más sorprendente es que encontramos un colapso de gran volumen debido a una transición estructural de plano a cadena en $P_c=4$ GPa, que produce simultáneamente un estado fundamental metálico. Además, los momentos magnéticos de espín (orbitales) del manganeso disminuyen (aumentan) significativamente a lo largo de la presión crítica. La presión crítica predicha y el colapso del volumen concuerdan bien con los valores experimentales21. Finalmente, también encontramos que el CaMn$_2$Bi$_2$ antiferromagnético es topológicamente trivial para todas las presiones estudiadas.

La Figura 1 muestra las tres posibles configuraciones de estado fundamental antiferromagnético dentro de la estructura cristalina de CaMn$_2$Bi$_2$. Los momentos magnéticos (flechas verde y dorada) se estabilizan en los sitios de manganeso dentro del plano orientado a lo largo del eje b de acuerdo con las observaciones experimentales22. Nuestros cálculos de energía total de primeros principios encuentran que el orden de tipo Néel es el estado fundamental consistente con la difracción de neutrones22, con los otros estados magnéticos candidatos que se encuentran al menos 35 meV/Mn por encima en energía. La magnitud de los momentos magnéticos junto con la brecha de banda y la energía total relativa de las diversas configuraciones magnéticas se dan en la Tabla 1. Experimentalmente, la fase Néel exhibe un momento magnético de 3.85 $\mu _{B}$ y una banda desfase entre 31 y 62 meV, según informe22,28. Estudios de transporte recientes adicionales encuentran una pequeña brecha de activación entre 2 y 4 meV24. Nuestros cálculos basados en PBE arrojan un momento magnético cercano al valor experimental, pero con una brecha de energía cero. También hemos probado el nuevo SCAN funcional meta-GGA de densidad de última generación y encontramos momentos magnéticos ligeramente mejorados con una brecha de banda de $\sim 200$ meV concomitante. Curiosamente, esta mejora en la banda prohibida y los momentos magnéticos no se encuentra en los estudios de cupratos29,30,31,32,33, iridatos34 y óxidos de perovskita 3d en general35.

Varias configuraciones de estado fundamental antiferromagnético dentro de la estructura cristalina de CaMn$_2$Bi$_2$. Las flechas verdes (doradas) representan los momentos magnéticos positivos (negativos) del manganeso. El apilamiento de las capas atómicas se muestra en la parte inferior derecha. Las líneas negras marcan la celda unitaria.

Para remediar la subestimación de la brecha de banda, introducimos una U efectiva en los estados Mn-d dentro del esquema GGA+U de Dudarev et al.36 Para encontrar la U que produce los valores experimentales, un rango de interacción de Hubbard en el sitio Se consideraron los valores. La figura 2 (panel derecho) muestra la evolución de la brecha de banda, los momentos magnéticos totales (líneas discontinuas), de espín y orbitales (líneas continuas) en función de U para las diversas configuraciones magnéticas, junto con los valores experimentales promedio. superpuesto (sombreado violeta). Al aumentar U de 0,0 a 2,0 eV, se abre una brecha de banda en las fases Néel y Zig-Zag, mientras que la brecha en el arreglo Stripy aumenta monótonamente. Para U superior a 3,0 eV, la brecha en los órdenes Stripy y Néel disminuye, mientras que la de la fase Zig-Zag se aplana. Este comportamiento no monotónico se observa en una serie de materiales de óxido, incluidos MnO$_2$37, TiO$_2$38 y posiblemente en los niquelatos de capa infinita superconductores39, aunque los efectos de autodopaje pueden estar en juego en este caso. compuesto. Simultáneamente, la fuerza de los momentos magnéticos de espín (orbitales) aumenta (disminuye) continuamente con el aumento de U. Dado que el momento orbital finito se induce en el átomo de manganeso a través de la hibridación con los orbitales p en los átomos de bismuto con un fuerte acoplamiento espín-órbita, la disminución en este momento con U muestra claramente una reducción inducida por la correlación de la hibridación entre las especies atómicas, a favor de la localización del electrón en el sitio Mn. Este proceso de localización impulsa concomitantemente el aumento en el tamaño del componente de giro del momento. Se encuentra que AU de 4.75 eV reproduce el valor de brecha medido experimentalmente mientras solo mejora el momento magnético en $\sim 0.5~\mu _B$, como lo indica la línea de puntos negra. Además, nuestros cálculos encuentran que la orientación magnética del eje b, determinada por el experimento, es más estable en 0,1 meV en comparación con el eje perpendicular a b. Para cotejar nuestra $U_\mathrm{{eff}}$, calculamos la Hubbard U derivada de la integral filtrada de $F^0$ Slater siguiendo el procedimiento proporcionado por Madsen y Novák40 tal como se implementó en Wien2k41. Dentro de este enfoque, encontramos una U efectiva de 4.38 eV en electrones Mn 3d, de acuerdo con nuestro valor VASP obtenido. Finalmente, notamos que estos resultados de GGA+U mejoran los obtenidos usando el funcional híbrido HSE0624.

(panel izquierdo) Densidad parcial de estados resuelta en el sitio para la fase Néel AFM para varios valores de U. El sombreado y las líneas de varios colores (ver leyenda) dan las contribuciones de los orbitales de manganeso-d y bismuto-p, y el peso atómico de Ca. La línea discontinua roja marca el borde de la banda de conducción principal, y la línea discontinua negra marca Fermi Energy. Para ampliar la brecha de banda, consulte la Fig. S4 en la Información complementaria. (panel derecho) Los componentes de espín y orbital (líneas continuas) del momento magnético total (líneas de puntos y puntos), junto con la brecha de banda en función del potencial en el sitio U.

La Figura 2 (panel izquierdo) muestra la densidad de estados resuelta en el sitio (DOS) para varios orbitales atómicos, incluidos Mn-d, Bi-p y el peso total de Ca en función de la U efectiva. Al ajustar U de 0 a 1 eV la brecha en los estados Mn-d divididos magnéticamente (centrados en $-3$ eV y 1,0 eV) se expande claramente, lo que marca un aumento en las correlaciones in situ de Mn-d. Es importante destacar que se abre una brecha finita en el nivel de Fermi, con Mn-d dominando las bandas de valencia y conducción. A medida que U aumenta de 1 a 3 eV, el carácter de manganeso disminuye desde los bordes de la banda debido al aumento de las correlaciones en el sitio. A un valor Hubbard U de 3 eV, la brecha de banda electrónica pasa de ser similar a Mott a una brecha de hibridación, ya que el borde de la banda de estado de baja energía que rodea el nivel de Fermi está compuesto exclusivamente por el carácter p-orbital de bismuto. Para U > 3 eV, los niveles de manganeso continúan moviéndose a energías más altas (más bajas) en la banda de conducción (valencia) exponiendo más densidad de estados de bismuto. Consulte la Información complementaria para obtener un primer plano detallado del nivel de Fermi. Para U igual a 4,75 eV, los estados de Mn-d se sitúan ligeramente por encima ($\sim 4$ meV) de los niveles de Bi-p en la banda de conducción. Notamos que el acoplamiento espín-órbita juega un papel importante en la reducción de la brecha de banda electrónica general; consulte la Información complementaria para obtener más detalles. La evolución de los estados electrónicos con correlaciones in situ demuestra claramente el papel fundamental que desempeña el parámetro Hubbard U para lograr el delicado equilibrio correcto entre la correlación y la hibridación en este compuesto.

La figura 3 muestra la estructura de la banda electrónica de CaMn$_2$Bi$_2$ en la fase Néel AFM con (azul) y sin (rojo) el Hubbard efectivo ${U}$ de 4,75 eV. Curiosamente, las correlaciones efectivas in situ parecen cambiar la energía relativa de la banda cónica en $\Gamma$ y la banda estrecha en M en las bandas de conducción. Específicamente, para U igual a 4.75 eV, se precipita una transición indirecta a directa, los extremos de las bandas de conducción y valencia cambian de $\Gamma$ y M, respectivamente, a centrados en $\Gamma$. En los estados de valencia, la estructura de bandas se asemeja a la obtenida puramente por la aproximación de gradiente generalizada22,24. Por el contrario, las bandas de conducción obtenidas por el funcional híbrido HSE06 (Ref.24) son más dispersivas y muestran transiciones característicamente diferentes, que deberían ser perceptibles en espectroscopia óptica.

Dispersión de banda electrónica de CaMn$_2$Bi$_2$ en la fase Néel AFM con (líneas azules) y sin (líneas rojas) un potencial U efectivo in situ de 4,75 eV.

Además, notamos que al introducir una U de 4.75 eV, la energía relativa entre las diferentes configuraciones de estado fundamental de AFM ha cambiado. Ahora encontramos que los tipos Néel y Stripe están separados por 22 meV/Mn, mientras que la diferencia de energía con el estado ordenado Zig-Zag es de 42 meV/Mn, lo que hace que las fases Stripy y Zig-Zag sean irrelevantes en el estado fundamental. Para obtener más detalles, consulte la Información complementaria.

La presión externa aplicada proporciona un medio directo para evaluar la relación relativa entre las fuerzas de hibridación y de correlación en un material. Si la brecha de banda está impulsada por las correlaciones, la presión aprieta los sitios de la red del cristal más juntos, lo que obliga a las funciones de onda de los sitios atómicos vecinos a superponerse. Entonces, los electrones tienden a deslocalizarse más en el material, dando lugar a un metal. Por el contrario, si la banda prohibida se rige por la hibridación, la presión separa aún más los estados de enlace y antienlace, aumentando así la banda prohibida. Cuando tanto la hibridación como las correlaciones están presentes, la brecha puede experimentar un comportamiento no monótono bajo presión como resultado de su competencia.

La Figura 4e,f muestra la densidad parcial de estados resuelta en el sitio en la fase antiferromagnética de tipo Néel de CaMn$_2$Bi$_2$ bajo presiones hidrostáticas de 0 a 8 GPa. A presión cero, la orden AFM abre una brecha de 49 meV, consistente con el rango de valores experimentales informados. A medida que se aplica presión, aumenta la separación de energía entre los estados de bismuto que rodean la banda prohibida, debido a la hibridación mejorada. Por el contrario, la separación entre los estados de manganeso por encima y por debajo del nivel de Fermi disminuye. También hay una ligera ampliación concomitante de los estados que posiblemente marca una mejora de la hibridación Mn-d y Bi-p. Además, hemos calculado la función de hibridación dependiente de orbital al tratar Mn-3d como orbitales correlacionados dentro de la teoría del campo medio dinámico y encontramos un aumento del doble en la función de hibridación, lo que corrobora aún más esta mejora en la hibridación en la baja presión. régimen. Además, también hemos realizado cálculos de DFT+U sin polarización de espín para examinar el efecto de la presión en lugar de la división del espín y también encontramos un marcado aumento en la brecha de banda directa, indicativo de una mejora de la hibridación con la presión, ver la Información Suplementaria para más detalles. A medida que la presión hidrostática aumenta a 3 GPa, los niveles de Mn-d y Bi-p se cruzan. Esto cambia el carácter del borde de la banda de conducción de bismuto exclusivamente a manganeso, transformando así el compuesto de un material de brecha de hibridación a un aislante de transferencia de carga. La presión de 3 GPa también marca una inversión de positivo a negativo de la derivada de la banda prohibida con la presión. La línea discontinua roja sigue la evolución del borde de ataque de la banda de conducción y traza claramente un camino no monótono con la presión (Fig. 4).

(a) Volumen por unidad de fórmula de CaMn$_2$Bi$_2$ en la fase antiferromagnética tipo Néel para las estructuras cristalinas prístinas (azul) y distorsionadas (rojas) usando DFT+U (U=4.75 eV) para varios valores de presión. El color de las diversas especies atómicas en las estructuras cristalinas es el mismo que en la Fig. 1. (b) La brecha de banda, junto con (c) el espín y (d) los componentes orbitales del momento magnético total en el prístino (azul ) y estructuras cristalinas distorsionadas (rojas) en función de la presión. Las líneas continuas (discontinuas) indican que la fase cristalina dada es estable (inestable). ( e ) Densidad parcial de estados resuelta en el sitio en la fase antiferromagnética tipo Néel de CaMn \ (_2 \) Bi \ (_2 \) bajo varios valores de presión. El sombreado y las líneas de varios colores (ver leyenda) dan las contribuciones de los orbitales de manganeso-d y bismuto-p, y el peso atómico total de Ca. La línea continua roja sigue el borde de ataque de los estados de conducción a medida que el sistema pasa a través de una transición aislador-metal. La línea discontinua negra marca Fermi Energy. ( f ) Ampliación de la brecha de banda en la densidad parcial de estados en ( e ) con la densidad de presión cero de los estados mejorada en 300x para hacer visible la cola del borde de la banda. El sombreado y las líneas grises indican la densidad total de estados.

El comportamiento a baja presión del espacio se puede racionalizar de la siguiente manera. Para presiones hidrostáticas pequeñas, la brecha de banda aumenta debido a los aumentos en la superposición de la función de onda entre los sitios de red atómica vecinos. Sin embargo, una vez que la presión se vuelve demasiado grande, las correlaciones magnéticas comienzan a colapsar y eventualmente empujan los estados Mn-3d hacia el nivel de Fermi, todo mientras los niveles de bismuto se alejan más de la energía de Fermi. Por lo tanto, la hibridación juega un papel doble al separar los estados de bismuto en los bordes de las bandas, al mismo tiempo que elimina las correlaciones magnéticas; aniquilando la brecha. Esto sugiere que CaMn$_2$Bi$_2$ se encuentra en el límite entre un aislante de transferencia de carga correlacionado y un semiconductor de brecha de hibridación, lo que proporciona un posible vínculo entre los sistemas de cupratos, pnictides y fermiones pesados.

Si la presión aumenta más allá de 4 GPa, la red de panal plana de átomos de manganeso se vuelve inestable. Para reducir la energía total global del sistema, un átomo de Mn se desliza a lo largo del eje a formando una estructura de cadena casi unidimensional. Al rastrear la entalpía frente a la presión de las dos fases cristalinas (consulte la Información complementaria), encontramos que la transición estructural ocurre a una presión crítica $P_c$ de 4 GPa de acuerdo con el experimento21. A esta presión, predecimos un efecto dramático en muchas de las propiedades clave de CaMn$_2$Bi$_2$.

La Figura 4a–d muestra varias propiedades clave de las estructuras cristalinas prístinas (azul) y distorsionadas (rojas) para las diversas presiones, donde la estabilidad relativa de las dos estructuras se indica mediante líneas sólidas (estables) y discontinuas (inestables). En $P_c$, nuestros cálculos arrojan un colapso de volumen de 8 Å$^3/$fu a través del límite, mientras que simultáneamente, hay un salto apreciable hacia abajo (arriba) en el momento magnético de espín (orbital). Más allá de $P_c$ el momento magnético de espín (orbital) constante disminuye (aumenta), ilustrando nuevamente la competencia entre la hibridación y las correlaciones. La magnetización de espín proporciona un indicador directo de la fuerza de las correlaciones, mientras que el componente orbital rastrea la superposición de las funciones de onda atómica Bi y Mn. Además, la hibridación entre las funciones de onda atómica de bismuto y manganeso induce un acoplamiento espín-órbita efectivo en los sitios de Mn. Finalmente, esta transición de plano a cadena inducida por presión también da paso a una transición de aislante a metal en $P_c$. Observamos que los cálculos teóricos que utilizan expansión y compresión isotrópicas no pudieron encontrar ningún punto de energía equivalente entre las dos fases cristalinas21. Aquí, la combinación de GGA+U y la relajación tanto de las posiciones atómicas como de la forma de la celda unitaria pueden capturar la física esencial y los grados de libertad de la red para producir resultados observables.

Estos colapsos de volumen inducidos por la presión se pueden clasificar en tres categorías de mecanismos: impulsados por correlación (p. ej., compuestos de fermiones pesados42), efecto Jahn-Teller (p. ej., KCuF$_3$43) y distorsión de Peierls (p. ej., NbSe$_3$ 44). Aquí, dado que no hay una superficie de Fermi en la fase prístina, no puede ocurrir un anidamiento entre las diversas láminas de Fermi, lo que descarta una distorsión de Peierls como posible mecanismo. Por lo general, los efectos impulsados por Jahn-Teller se derivan de un cambio en el recuento de electrones d. Por ejemplo, la coordinación de los metales de transición en los dicalcogenuros de metales de transición varía sistemáticamente con el conteo de electrones d entre octaedros trigonal-prismáticos, octaédricos y octaedros distorsionados (formando cadenas casi unidimensionales)45, con la última estructura distorsionada caracterizada como Jahn -Impulsado por el cajero46. Para el presente material bajo examen, solo encontramos un aumento marginal en la carga total de la esfera de Wigner-Seitz, lo que hace que el proceso de Jahn-Teller sea poco probable. Por lo tanto, nuestros resultados sugieren que el colapso del volumen inducido por la presión (plano a cadena) del aislador a la transición del metal está impulsado principalmente por efectos de correlación.

Originalmente, se pensaba que CaMn$_2$Bi$_2$ era un posible semimetal magnético 3D de Dirac, en el que se suponía que los estados Mn-d se comportaban como electrones centrales47. Esto permite una inversión de banda limpia de los niveles de Bi-s y Bi-p. Sin embargo, Gibson et al.22 encontraron que los orbitales Mn-d juegan un papel importante en el nivel de Fermi, hibridado con la variedad de estados de bismuto. En última instancia, esto interrumpe el nivel de Bi-s y Bi-p, evitando un estado fundamental topológico no trivial.

Para confirmar la naturaleza topológica de CaMn$_2$Bi$_2$ utilizamos el código vasp2trace48 junto con el módulo Check Topological Material49,50,51 provisto en el Bilbao Crystallographic Server52,53,54. De hecho, se encuentra que CaMn$_2$Bi$_2$ es topológicamente trivial para todas las presiones de hasta 12 GPa, debido al hecho de que los niveles de Mn-d dominan la estructura electrónica de baja energía e impiden que Bi-s y p indica superponerse e invertirse. Sin embargo, si la energía in situ de las bandas de manganeso se sintonizara lejos del nivel de Fermi o el estado de Bi-s se acercara al nivel de Fermi, el nivel de bismuto s y p podría invertirse, haciendo que el estado fundamental sea topológicamente no -trivial.

En el análisis original realizado por Gibson et al.22 se afirmó que el CaMn$_2$Bi$_2$ se comporta como un material de brecha de hibridación. Esto se justificó rastreando solo los cambios de posición de los niveles Bi-p y s con la expansión y contracción del volumen de la celda unitaria en un 1% sin relajación, e ignorando los estados Mn que cruzan el nivel de Fermi. Además, después de verificar nuestros resultados dentro de VASP y Wien2k41, encontramos la estructura electrónica presentada por Gibson et al. ser inconsistente. Creemos que las bandas presentadas en la Ref.22 son el resultado de un flujo de trabajo de cálculo incompleto, en el que posiblemente se descuidaron las subrutinas de acoplamiento espín-órbita. Consulte la Información complementaria para obtener más detalles. Además, el estudio de presión realizado por algunos de nosotros24 informa un aumento en la energía de activación de solo 20–40 K (2–4 meV) con presión usando mediciones de transporte eléctrico. La brecha observada en la Ref.24 es un orden de magnitud más pequeña que nuestra predicción, lo que implica la posible existencia de estados de impurezas dentro de la brecha. La presencia de impurezas haría que la muestra fuera sensible a los cambios en la presión externa y podría producir resultados de transporte anómalos. Por lo tanto, para comparar con precisión los resultados de nuestros primeros principios con las mediciones experimentales, se requiere un modelado riguroso del proceso de transporte. Además, Ref.24 informó un aumento en $T_N$ con la presión. Sin embargo, dado que los resultados de nuestra teoría funcional de la densidad solo producen el momento magnético a temperatura cero sin ninguna medida de las fluctuaciones, no podemos dar una idea directa del cambio en $T_N$ con la presión.

A partir de nuestro análisis de la estructura electrónica del estado fundamental de CaMn$_2$Bi$_2$ en función de la presión, encontramos que la estructura electrónica de baja energía manifiesta tanto el aislante de transferencia de carga correlacionado como las características del semiconductor de brecha de hibridación. Para dilucidar por completo su conexión con los compuestos de cupratos, pnictidas y fermiones pesados y hasta qué punto son similares, es decir, presentan ondas de densidad de carga/espín y superconductividad no convencional, se necesitan más estudios dependientes del dopaje para descubrir su diagrama de fase completo. Además, la adición de agujeros debería producir una interacción interesante entre los portadores antiferromagnéticos itinerantes y los de los orbitales Bi-p fuertemente acoplados a la órbita de espín, creando un entorno favorable para nuevas fases exóticas de la materia.

Los cálculos ab initio se realizaron utilizando el método de onda aumentada por proyector de pseudopotencial55 implementado en el paquete de simulación ab initio de Viena (VASP)56,57 con un corte de energía de 600 eV para el conjunto base de onda plana. Los efectos de la correlación de intercambio se trataron utilizando el funcional de densidad GGA de Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE)58, donde se utilizó una malla de puntos k centrada en 12 $\times$ 12 $\times$ 8 $\Gamma$. utilizado para muestrear la zona de Brillouin. Los efectos de acoplamiento espín-órbita se incluyeron de forma coherente en todas las etapas de los cálculos. Usamos la estructura cristalina $P\bar{3}m1$ ($P12_{1}/m1$) de baja temperatura y presión cero (alta) de acuerdo con las mediciones experimentales para inicializar nuestros cálculos21,59. La dependencia de la presión de las diversas propiedades físicas de CaMn$_2$Bi$_2$ se obtuvo aumentando (disminuyendo) la presión hidrostática en la estructura cristalina de presión cero (alta) en pequeños pasos casi adiabáticos. Para cada U y presión, todos los sitios atómicos en la celda unitaria junto con las dimensiones de la celda unitaria se relajaron simultáneamente usando un algoritmo de gradiente conjugado para minimizar la energía con una tolerancia de fuerza atómica de 0.01 eV/Å y una tolerancia de energía total de $10^ {-6}$ eV. Los parámetros estructurales obtenidos teóricamente para CaMn$_2$Bi$_2$ en el estado de Néel a presión cero, $a=b=4.76$ Å, y $c=7.72$ Å, están en buenas condiciones. concordancia con los resultados experimentales correspondientes.

Todos los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles de los autores correspondientes previa solicitud.

Nagaosa, N. Teoría cuántica de campos en sistemas electrónicos fuertemente correlacionados (Springer, 1999).

Libro MATEMÁTICAS Google Académico

Sol, L. et al. Superconductividad reemergente a 48 Kelvin en calcogenuros de hierro. Naturaleza 483, 67 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Stewart, G. Superconductividad en compuestos de hierro. Rev.Mod. física 83, 1589 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Proust, C. & Taillefer, L. Los notables estados fundamentales subyacentes de los superconductores de cuprato. año Rev. condensa. Física de la materia. 10, 409 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Bansil, A., Lin, H. & Das, T. Colloquium: Teoría de bandas topológicas. Rev.Mod. física 88, 021004 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Takagi, H., Takayama, T., Jackeli, G., Khaliullin, G. & Nagler, SE Concepto y realización de líquidos de espín cuántico kitaev. Nat. Rev. Phys. 1, 264 (2019).

Artículo Google Académico

Shen, B. et al. Comportamiento de metal extraño en una red kondo ferromagnética pura. Naturaleza 579, 51 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kamihara , Y. , Watanabe , T. , Hirano , M. & Hosono , H. Superconductor en capas a base de hierro La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05–0.12) con Tc = 26 k. JACS 130, 3296 (2008).

Artículo CAS Google Académico

Wen, H.-H. & Li, S. Materiales y superconductividad novedosa en superconductores de pnictida de hierro. año Rev. condensa. Física de la materia. 2, 121 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Wang, C. et al. Superconductividad inducida por dopaje con torio de hasta 56 k en Gd1- xThxFeAso. EPL 83, 67006 (2008).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Yanagi, H. et al. Semiconductor bipolar antiferromagnético LaMnPO con estructura tipo ZrCuSiAs. Aplicación J. física 105, 093916 (2009).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

McGuire, MA & Garlea, VO Orden magnético de corto y largo alcance en LaMnAso. física Rev. B 93, 054404 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Zhang, Q. et al. Estructura y propiedades magnéticas de Ln MnSbO (Ln = La y Ce). física Rev. B 93, 094413 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Simonson, J. et al. De aislante antiferromagnético a metal correlacionado en LaMnPO presurizado y dopado. proc. nacional Academia ciencia 109, E1815 (2012).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Simonson, J. et al. Estados de brecha en el aislamiento LaMnPO1–x Fx (x = 0–0.3). física Rev. B 84, 165129 (2011).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Sun, Y.-L. et al. Transición de aislante a metal y gran efecto termoeléctrico en La1–xSrxMnAsO. EPL 98, 17009 (2012).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Hanna, T. et al. De aislante antiferromagnético a metal ferromagnético: Efectos de la sustitución de hidrógeno en LaMnAsO. física Rev. B 87, 020401 (2013).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Cheng, J.-G. et al. Superconductividad inducida por presión en el borde del orden magnético en MnP. física Rev. Lett. 114, 117001 (2015).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Chong, X., Jiang, Y., Zhou, R. y Feng, J. Dependencia de la presión de la estructura electrónica y superconductividad del Mnx (x = N, P, As, Sb). ciencia Rep. 6, 1 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Kawaguchi, N., Urata, T., Hatano, T., Iida, K. e Ikuta, H. Efecto de la magnetorresistencia no monotónica y anisotrópica en el antiferromagnético caMn2Bi2. física Rev. B 97, 140403 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Gui, X. et al. Colapso de gran volumen inducido por presión, transición de aislador a metal de plano a cadena en CaMn2Bi2. Inorg. química 58, 8933 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Gibson, Q. et al. Propiedades magnéticas y electrónicas de CaMn2Bi2: un posible semiconductor de brecha de hibridación. física Rev. B 91, 085128 (2015).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Zada, Z., Laref, A., Murtaza, G., Zeb, A. & Yar, A. Cálculos de primeros principios de las propiedades electrónicas y magnéticas de los compuestos XMn2Y2 (X = Ca, Sr; Y = Sb, Bi). En t. J. Física moderna. B 33, 1950199 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Piva, M. et al. Brecha de hibridación putativa en CaMn2 Bi2 bajo presión aplicada. física Rev. B 100, 045108 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Hundley, M., Canfield, P., Thompson, J., Fisk, Z. y Lawrence, J. Brecha de hibridación en Ce3Bi4Pt3. física Rev. B 42, 6842 (1990).

Artículo ADS CAS Google Académico

Cooley, J., Aronson, M. & Canfield, P. Altas presiones y la brecha de kondo en Ce3Bi4Pt3S. física Rev. B 55, 7533 (1997).

Artículo ADS CAS Google Académico

Campbell, DJ et al. Aislador kondo de alta presión-transición semimetálica en Ce3Bi4Pt3. arXiv:1907.09017 (2019).

Sangeetha, N., Smetana, V., Mudring, A.-V. & Johnston, D. Antiferromagnetismo en monocristales semiconductores de SrMn2Sb2 y BaMn2Sb2. física Rev. B 97, 014402 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Furness, JW et al. Un tratamiento preciso de primeros principios de la estructura electrónica dependiente del dopaje de los superconductores de cuprato de alta temperatura Nat. común física 1, 11 (2018).

Artículo Google Académico

Carril, C. et al. Estado fundamental antiferromagnético de La2CuO4: una descripción ab initio sin parámetros. A. Física. Rev. B 98, 125140 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhang, Y. et al. Franja competidora y fases magnéticas en los cupratos a partir de primeros principios. proc. nacional Academia ciencia 117, 68 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Nokelainen, J. et al. Descripción ab initio de la estructura electrónica Bi2Sr2CaCu2O8+δ. física Rev. B 101, 214523 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Pokharel, K. et al. Ab intio descripción de la estructura electrónica de los superconductores de cuprato de alta temperatura: un estudio funcional de densidad comparativa. preimpresión de arXiv arXiv:2004.08047 (2020).

Carril, C. et al. Cálculo de primeros principios de contribuciones orbitales y de espín a momentos ordenados magnéticamente en Sr2IrO4. física Rev. B 101, 155110 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Varignon, J., Bibes, M. & Zunger, A. Origen de las brechas de banda en óxidos de perovskita 3d. Nat. común 10, 1658 (2019).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dudarev, S., Botton, G., Savrasov, S., Humphreys, C. y Sutton, A. Espectros de pérdida de energía de electrones y estabilidad estructural del óxido de níquel: un estudio de LSDA+U. física Rev. B 57, 1505 (1998).

Artículo ADS CAS Google Académico

Wang, Y.-C., Chen, Z.-H. & Jiang, H. La proyección local en la teoría funcional de la densidad más el enfoque U: una evaluación crítica. J. Chem. física 144, 144106 (2016).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Han, X. et al. Corrección de limitación y extrapolación del formalismo GGA+U: un estudio de caso de anatasa TiO2 dopada con Nb. J.Mater. química C 1, 3736 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Lee, K.-W. & Pickett, W. LaNiO2 de capa infinita: Ni1+ no es Cu2+. física Rev. B 70, 165109 (2004).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Madsen, GKH & Novák, P. Orden de carga en magnetita: un estudio LDA+U. EPL Europhys. Letón. 69, 777 (2005).

Artículo ADS CAS Google Académico

Blaha, P. et al. wien2k Un programa de orbitales locales de ondas planas aumentadas para calcular las propiedades de los cristales (2001).

Lipp, MJ et al. Las propiedades elásticas anómalas a través del colapso de volumen de $\gamma$ a $\alpha$ en el cerio. Nat. común 8, 1 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kugel, KI & Khomskii, D. El efecto jahn-teller y el magnetismo: compuestos de metales de transición soviéticos. física Uspeji 25, 231 (1982).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Boswell, F. & Prodan, A. Peierls distorsiones en NbS3 y NbSe3. física B+C 99, 361 (1980).

Artículo ADS CAS Google Académico

Wilson, JA & Yoffe, A. Discusión e interpretación de los dicalcogenuros de metales de transición de las propiedades ópticas, eléctricas y estructurales observadas. Adv. física 18, 193 (1969).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kertesz, M. & Hoffmann, R. Octahedral vs. coordinación trigonal-prismática y agrupamiento en dicalcogenuros de metales de transición. Mermelada. química Soc. 106, 3453 (1984).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, T. et al. Catálogo de materiales electrónicos topológicos. Naturaleza 566, 475 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Vergniory, M. et al. Un catálogo completo de materiales topológicos de alta calidad. Naturaleza 566, 480 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Bradlyn, B. et al. Química cuántica topológica. Naturaleza 547, 298 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Vergniory, M. et al. Datos de teoría de grafos para química cuántica topológica. física Rev. E 96, 023310 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Elcoro, L. et al. Dobles grupos cristalográficos y sus representaciones en el servidor cristalográfico de bilbao. Aplicación J. cristalogr. 50, 1457 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Aroyo, MI et al. Cristalografía online: servidor cristalográfico de Bilbao Bulg. química común 43, 183 (2011).

CAS Google Académico

Aroyo, MI et al. Servidor cristalográfico de Bilbao: I: Bases de datos y programas informáticos cristalográficos. cristal. Mate. 221, 15 (2006).

CAS Google Académico

Aroyo, MI, Kirov, A., Capillas, C., Pérez-Mato, J. & Wondratschek, H. Bilbao. servidor cristalográfico: ii—Representaciones de grupos puntuales cristalográficos y grupos espaciales. Acta Crystallogr. A 62, 115 (2006).

Artículo ADS PubMed MATH Google Scholar

Kresse, G. & Joubert, D. De los pseudopotenciales ultrasuaves al método de onda aumentada del proyector. física Rev. B 59, 1758 (1999).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kresse, G. & Furthmüller, J. Esquemas iterativos eficientes para cálculos de energía total ab initio utilizando un conjunto de base de onda plana. física Rev. B 54, 11169 (1996).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kresse, G. & Hafner, J. Ab initio dinámica molecular para metales de transición de capa abierta. física Rev. B 48, 13115 (1993).

Artículo ADS CAS Google Académico

Perdew, JP, Burke, K. & Ernzerhof, M. Aproximación de gradiente generalizada simplificada. física Rev. Lett. 77, 3865 (1996).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Cordier, G., Schäfer, H. & Naturforsch, Z. Nuevos compuestos intermetálicos en el tipo de estructura anti-Ce2O2S. B Química Sci. 31 , 1459 (1976).

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División Teórica, Laboratorio Nacional de Los Alamos, Los Alamos, NM, 87545, EE. UU.

Christopher Lane y Jian-Xin Zhu

Centro de Nanotecnologías Integradas, Laboratorio Nacional de Los Alamos, Los Alamos, NM, 87545, EE. UU.

Christopher Lane y Jian-Xin Zhu

Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, Nöthnitzer Str. 40, 01187, Dresde, Alemania

MM Piva

Instituto de Física "Gleb Wataghin", UNICAMP, Campinas, SP, 13083-859, Brasil

MM Piva

División de Física y Aplicación de Materiales, Laboratorio Nacional de Los Alamos, Los Alamos, NM, 87545, EE. UU.

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CL y JZ realizaron cálculos, CL, MP, PR y JZ analizaron los resultados. JZ dirigió las investigaciones y proporcionó la infraestructura informática. Todos los autores contribuyeron a escribir el manuscrito.

Correspondencia a Christopher Lane o Jian-Xin Zhu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lane, C., Piva, MM, Rosa, PFS et al. Correlación versus brecha de hibridación en CaMn$_{2}$Bi$_{2}$. Informe científico 13, 9271 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35812-2

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Recibido: 31 de marzo de 2022

Aceptado: 24 de mayo de 2023

Publicado: 07 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35812-2

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