铋铁石榴石：电子性质的从头算研究
强关联电子
2020-01-10 v1
摘要
铋铁石榴石（BIG），即Bi3Fe5O12，是一种强亚铁磁体，还具有出色的磁光性质，例如已知最大的法拉第旋转。这些性质与八面体和四面体位上磁矩的分布、态密度中自旋隙的存在以及强自旋轨道耦合有关。本工作中，采用包含自旋轨道耦合和HSE06杂化泛函的Hubbard+U密度泛函理论（DFT+U）修正，通过第一性原理从头算计算研究了BIG的结构、电子和磁学性质。我们发现电子结构中自旋隙的出现源于四面体和八面体铁亚晶格的交换关联效应与晶体场强度之间的相互作用。由于过度局域化效应（尤其在八面体位上），DFT+U处理倾向于在较大U下闭合自旋隙。另一方面，杂化泛函证实了铁态导带中三个自旋隙的出现，与光学测量预期一致。我们还获得了价带顶处与O p和Bi s,p态的孤对型混合相关的强交换劈裂。其他铁基石榴石（如钇铁石榴石）此前未观察到类似的交换劈裂。由此可知，通过在Bi位进行Ca替代获得的空穴掺杂，会导致费米能级处完全自旋极化的密度。本工作有助于进一步从理论层面理解BIG的性质，并为使用先进多体计算在直接与实验测量对比下预测BIG中的磁光耦合效应开辟了道路。
引用
@article{arxiv.2001.02910,
title = {Bismuth iron garnet: ab initio study of electronic properties},
author = {Federico Iori and Adrien Teurtrie and Laura Bocher and Elena Popova and Niels Keller and Odile Stéphan and Alexandre Gloter},
journal= {arXiv preprint arXiv:2001.02910},
year = {2020}
}