CoTiO3的磁各向异性：键依赖的伊辛型轨道相互作用与轨道-晶格耦合

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetic anisotropy of CoTiO 3: bond-dependent Ising-like orbital interaction and orbital-lattice coupling

　　我们报道了CoTiO3中自旋-轨道-晶格耦合的DFT研究。Eg声子畸变调节轨道间耦合。轨道各向异性通过SOC传递到自旋各向异性。我们的约束轨道矩方法使轨道物理的DFT研究成为可能。引言自旋、轨道自由度与晶格振动之间的强耦合已成为理解关联材料复杂性质的关键因素[1]。自旋-轨道-晶格耦合导致了丰富的物理现象，包括自旋-轨道激子[2]、磁电效应[3]、声子手性[4]、[5]和磁弹性耦合[6]、[7]、[8]。具有简并态的过渡金属离子表现出未淬灭的轨道矩，这将支持显著的相对论自旋-轨道耦合(SOC)。这种未淬灭的轨道矩与晶格自由度相互作用，导致强烈的轨道-声子耦合[5]。钛酸钴是展示自旋-轨道激子与拉曼活性声子模式之间强杂化的典型例子[4]、[9]。钛酸钴(CoTiO3, CTO)材料具有强晶体电场、SOC效应和局域三角畸变。CTO和其他陶瓷颜料的电子结构和吸收光谱已通过多体方法计算[10]、[11]。在该材料中已识别出狄拉克磁振子[12]、[13]、[14]、[15]、自旋-轨道激子[16]和Kitaev量子自旋液体[17]。CTO薄膜表现出易平面磁各向异性和大的未淬灭轨道矩[7]、[18]。磁拉曼光谱进一步揭示了CTO中声子模式的手性和两个Eg声子模式的声子塞曼效应[4]、[9]。第一性原理计算再现了面内铁磁和面外反铁磁耦合，但预测了面外磁各向异性[19]。有必要超越文献[5]、[9]中提出的点电荷库仑势模型，对自旋-轨道-晶格耦合进行透彻理解。本工作的目的是揭示Co离子上自旋和轨道矩之间的相互作用，以及晶格畸变对这些相互作用的影响。自旋-轨道-晶格耦合在第一性原理框架内处理，超越了文献[5]中提出的点电荷库仑势模型。本工作的重点是Co离子上的轨道矩。已在第一性原理框架中实现对轨道矩大小和方向的约束。我们发现由Eg声子模式引起的晶格畸变产生了额外的面内磁各向异性，其中轨道矩起主导作用。我们识别出最近邻Co离子上轨道矩之间的伊辛类相互作用，这将介导自旋-轨道激子与声子之间的耦合。章节片段计算细节密度泛函理论(DFT)计算采用投影缀加波(PAW)方法，在局域密度近似(LDA)交换关联泛函框架下进行，如维也纳从头算模拟包(VASP)中实现的那样[20]、[21]。六方CTO的室温晶格参数为a = b = 5.066 ?和c = 13.918 ?，γ = 120°[22]。强原子内电子关联效应采用Dudarev的LDA+U方法考虑[23]。The自旋各向异性具有三角空间群R3?的钛铁矿型晶体CTO由边共享的CoO6和TiO6八面体组成，它们沿c轴交替堆叠。在奈尔温度TN = 38 K以下的A型反铁磁(AFM)相中，Co2+离子的局域磁矩在ab平面内铁磁排列，但沿c轴反铁磁排列。每个Co2+的计算自旋磁矩约为2.7 μB。CTO是独特的，因为它带有相当大的未淬灭轨道磁矩。结论总之，我们使用DFT研究了CoTiO3中自旋、轨道和晶格自由度之间的耦合。我们在CoTiO3中发现了大的轨道矩和强的易平面各向异性。我们还确认了晶格与自旋的耦合，且该耦合由轨道矩介导。约束轨道矩方向和大小的方法是分析轨道间相互作用的有用工具。我们展示了可能的键依赖伊辛类相互作用CRediT作者贡献声明Du Hu：写作——原稿，可视化，方法论。Qian Wang：软件，方法论。Jia-yang Ge：写作——审阅与编辑，验证。Meng-Qiu Long：资源，资金获取。Guang-Hua Guo：资金获取。Yun-Peng Wang：监督，资源，项目管理，资金获取。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的可能影响本论文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。致谢本工作由国家自然科学基金(NSFC)资助（批准号：T2495212和12,004,439）。Du Hu|Qian Wang|Jia-yang Ge|Meng-Qiu Long|Guang-Hua Guo|Yun-Peng Wang