$d^0$-$d^1$氧化物异质结中的电子限域、轨道有序与轨道磁矩

我们利用第一性原理方法研究了(SrTiO$_3$)$_m$/(SrVO$_3$)$_n$ $d^0-d^1$ 多层体系，通过观察随SrVO$_3$层厚度增加的绝缘体-金属相变。当包含合理大小的关联效应时，来自结构弛豫的晶体场劈裂与自旋轨道耦合（SOC）共同决定了电子和磁结构的行为。这些受限的SrVO$_3$薄层倾向于在面内形成 $\ell_z = 0$ 和 $\ell_z = -1$（$j_z=-1/2$）轨道的 $Q_{orb}$=($\pi,\pi$) 轨道有序，并伴随 $Q_{spin}$=(0,0) 自旋有序（铁磁排列）。结果形成了一种SOC驱动的铁磁莫特绝缘体。$\ell_z = -1$ 子晶格上的轨道磁矩（0.75 $\mu_B$）强烈补偿了自旋磁矩。对于 $n = 1 \to 5$ 的绝缘体-金属相变（发生在 $n$=4 和 $n$=5 之间）得到了复现。与等电子的 $d^0-d^1$ TiO$_2$/VO$_2$（金红石结构）体系不同，尽管在轨道有序方面有一些相似性，但并未遇到半狄拉克点[{\it Phys. Rev. Lett.} {\bf 102}, 166803 (2009)]，而是通过一种不同类型的非常规相发生了绝缘体-金属相变。对于 n=5，该体系非常接近（或处于）一种独特的半金属态，其中费米能由拓扑决定，费米面由位于 $k$=0 处的相同电子和空穴费米圆组成。色散关系包含可视为连续径向狄拉克点的结构，形成“狄拉克圆”。