铈单磷族化物中4f电子关联效应与磁序特性的多尺度研究

【编辑推荐】本研究针对铈单磷族化物CeX（X=N/P/As/Sb/Bi）中4f电子局域化-巡游转变机制不明、磁序多样性成因复杂等科学问题，采用DFT+DMFT（密度泛函理论+动态平均场理论）多尺度计算方法，系统揭示了CeN的混合价态特性及CeP-CeBi体系中4f电子从强关联到局域化的演变规律，首次通过理论计算验证了A1-AFM（↑↓↑↓）与A2-AFM（↑↑↓↓）磁基态的竞争机制，为强关联电子体系量子调控提供重要理论依据。

　　

在凝聚态物理研究领域，铈基化合物因其4f电子的特殊行为一直被视为量子现象的"富矿"。这类材料中，电子关联效应、自旋轨道耦合与晶体场作用的复杂博弈，催生了包括重费米子超导、量子临界性等前沿物理现象。其中，铈单磷族化物CeX（X=N/P/As/Sb/Bi）家族尤为引人注目——它们具有简单的NaCl型晶体结构，却展现出令人费解的多变磁性和电子态：从CeN的顺磁混合价态，到CeP/CeAs的A1型反铁磁序（A1-AFM），再到CeSb/CeBi的A2型反铁磁序（A2-AFM），其物理性质的系统性演变至今缺乏统一理论解释。更棘手的是，传统密度泛函理论（DFT）难以准确描述4f电子的强关联特性，而实验上对磁结构细节的探测又受限于极端条件制备。

针对这一难题，中国的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表了突破性研究成果。通过创新性地结合DFT+DMFT多尺度计算方法，首次实现了对CeX家族电子结构-磁序关系的系统性定量描述。研究团队首先采用WIEN2k软件包进行GGA-PBE泛函的DFT计算，建立基础电子结构模型；进而引入动态平均场理论（DMFT）处理4f电子强关联效应，通过连续时间量子蒙特卡洛（CT-QMC）求解杂质模型；最后采用DFT+U（Hubbard参数修正）方法对六种可能磁结构（A1/G1/C1-AFM、A2/G2-AFM、FM）进行能量比较。

几何结构特征
通过分析晶格常数a、Ce-X键长、X离子电负性等参数，发现CeN在所有化合物中呈现显著异常：其晶格收缩程度（3.5%）、Ce-N键长（2.38 ?）明显偏离其他成员趋势，这与其4f电子更强的离域性直接相关。

电子关联特性
动量分辨谱函数显示CeN存在显著的4f能带展宽（~1.5 eV），而CeP-CeBi的4f峰逐渐变窄。定量分析给出关键参数：CeN的4f电子占据数n_f=1.24（混合价态），重整化因子Z=0.18；CeP呈现最强关联性（Z=0.12）；至CeBi时4f电子完全局域化（Z→0）。

磁序竞争机制
能量计算表明：CeP/CeAs优选A1-AFM（层间↑↓↑↓），磁矩沿[001]轴排列；而CeSb/CeBi稳定于A2-AFM（层间↑↑↓↓），与中子衍射实验结果高度一致。这种转变源于4f电子局域化程度增加导致的交换作用重排。

该研究首次建立CeX体系中4f电子"混合价态-强关联-局域化"的连续演变模型，揭示磁序多样性本质上是自旋-轨道-晶格耦合作用的宏观体现。理论预测的CeN费米面拓扑结构为后续实验探测提供了新方向，而发展的DFT+DMFT计算框架为其他镧系化合物研究树立了范式。特别值得注意的是，研究发现CeP处于关联强度极大值点，这暗示其可能是实现压力调控量子相变的理想候选体系，为强关联材料设计提供了新思路。