掺杂 CoO$_2$层状系统中高自旋空穴态的可能性

我们引入并研究了一个针对$t_{2g}$和$e_g$电子的有效五带模型，用于描述具有 Co$^{3+}$和 Co$^{4+}$离子的掺杂钴氧化物，其结构类似于 Na$_{1-x}$CoO$_2$中的二维 CoO$_2$三角晶格层。该有效哈密顿量包含各向异性动能（源于直接的 Co-Co 跃迁和间接的 Co-O-Co 跃迁）、由轨道内 Hubbard 排斥能$U$和完整 Hund 交换张量参数化的在位库仑相互作用、晶体场项以及 Jahn-Teller 静态畸变。我们利用周期性边界条件下$6\times 6$团簇上的关联波函数对其进行了研究。计算表明，在未掺杂系统中，随着晶体场强度的增加，会发生从低自旋 S=0 到高自旋 S=2 的突变，而未发现中间态 S=1 自旋。令人惊讶的是，对于描述 CoO$_2$平面中低自旋态的实际哈密顿量参数，掺杂会在 Co$^{4+}$离子处产生高$S=\frac{5}{2}$自旋，这些自旋成对束缚成单重态，在此表现为上下自旋对。研究发现，此类单重态对在较高掺杂浓度下会自组织成具有共存反铁磁和铁磁键的自旋线，形成条纹状结构。在所研究的掺杂范围内，由于计算得到的 HOMO-LUMO 能隙从未足够小，基态均为绝缘体。