Hubbard 相互作用与超交换相互作用的动态竞争通过极化子选择性局域化电子和空穴

控制过渡金属氧化物中光激发极化子的效应，可为可再生能源应用实现必要的长时间尺度电荷分离，以及通过动态可调的电子-声子耦合控制新的量子相。在先前研究的过渡金属氧化物中，极化子的形成由光激发配体到金属电荷转移（LMCT）促进。当极化子形成时，氧原子远离铁中心，这增加了载流子在金属中心的局域化并降低了电荷跃迁。对钇铁石榴石和铒铁氧化物的研究表明，强电子和自旋关联可以调制光激发极化子的形成。为理解高极性材料中强自旋和电子关联之间的相互作用，我们研究了钆铁氧化物（GdFeO3），它通过 Fe-O-Fe 超交换相互作用选择性地形成光激发极化子。激发波长依赖的瞬态极紫外（XUV）光谱选择性激发 LMCT 和金属到金属电荷转移跃迁（MMCT）。LMCT 跃迁由于超交换和 Hubbard 相互作用之间的平衡而抑制光激发极化子的形成，而 MMCT 跃迁在 250±40 fs 内导致光激发极化子的形成。从头算理论证明，电子和空穴极化子在 MMCT 之后局域在铁中心上。除了理解强电子和自旋关联如何控制强电子-声子耦合外，这些实验首次分别测量了相邻金属中心上的电子和空穴极化子相互作用，为理解广泛的电荷转移和 Mott-Hubbard 绝缘体提供了见解。