基于第一性原理计算的GaTa$_4$Se$_8$晶体与电子结构研究

GaTa$_4$Se$_8$属于缺位尖晶石家族。尽管对其新奇的物性（如Mott绝缘体相和高压下的超导电性）已有大量研究，其晶体结构仍是一个谜题。本工作通过第一性原理计算研究了其声子谱，提出其极有可能存在晶体结构相变，这与若干实验观测结果一致。对于具有立方对称性（空间群$F\bar{4}3m$）的原型缺位尖晶石，其声子谱在整个布里渊区存在三个软模，表明该晶体结构存在强烈的动力学不稳定性。为寻找动力学稳定的晶体结构，进一步的计算表明GaTa$_4$Se$_8$存在两种新结构，分别对应$R3m$和$P\bar{4}2_{1}m$，验证了在常压下，当温度降低时，GaTa$_4$Se$_8$确实会发生从$F\bar{4}3m$到其他结构的结构相变。我们还对$R3m$和$P\bar{4}2_{1}m$结构进行了电子结构计算，表明$P\bar{4}2_{1}m$结构的GaTa$_4$Se$_8$是能带绝缘体，并在单带Hubbard模型图像下，当相互作用参数U大于0.40 eV（带宽为0.25 eV）时，通过DMFT计算得到了$R3m$结构的Mott绝缘体态。可以合理假设，随着温度降低，$F\bar{4}3m$结构的GaTa$_4$Se$_8$首先转变为$R3m$结构，然后因Jahn-Teller畸变后$P\bar{4}2_{1}m$的对称性低于$R3m$，再转变为$P\bar{4}2_{1}m$结构。该结构转变可以解释低温下的磁化率异常。