动力学结构不稳定性及其对无限层镍酸盐物理性质的影响

我们利用第一性原理计算发现，在无限层镍酸盐$R$NiO$_2$中，被广泛研究的四方$P4/mmm$结构仅对早期镧系元素$R$=La-Sm是动力学稳定的。对于晚期镧系元素$R$=Eu-Lu，在$A=(\pi,\pi,\pi)$点出现虚声子频率。对于这些无限层镍酸盐，该声子模在$P4/mmm$结构中的凝聚导致能量上更有利的$I4/mcm$结构，其特征是“NiO$_4$正方形”的反相旋转。我们特别关注两个临界情形：PmNiO$_2$和SmNiO$_2$，其中$P4/mmm$结构与$I4/mcm$结构均为局域极小，且两结构间的能量差可通过外延应变精细调节。与$P4/mmm$结构相比，$I4/mcm$结构中的$R$NiO$_2$具有显著减小的Ni $d_{x^2-y^2}$带宽、更小的Ni $d$占据数、在$\Gamma$点被抑制的镧系-$d$衍生电子袋的“更干净”费米面，以及减小的稳定长程反铁磁序所需的临界$U_{\textrm{Ni}}$。所有这些特征意味着关联效应的增强并有利于莫特物理。我们的工作揭示了无限层镍酸盐中结构-性质关系的重要性，特别地，自发的“NiO$_4$正方形”旋转提供了一个调控旋钮，使$I4/mcm$结构中的$R$NiO$_2$更接近超导无限层铜酸盐。