基于嵌入多体波函数的三卤化铬中的电子激发与自旋相互作用

尽管三卤化铬被广泛视为面向下一代器件的一类有前景的二维磁体,但对其电子结构与磁相互作用的准确描述已被证明难以实现。在此,我们使用嵌入多体波函数计算和完全广义自旋哈密顿量来量化 Cr$X_3$ ($X=$~Cl, Br, I)中的电子激发与自旋相互作用。我们发现这三种三卤化物具有可比的 $d$ 壳层激发,均由高自旋 $^4A_2$ $(t^3_{2g}e^0_{g})$ 基态构成,其位于第一激发态 $^4T_2$ ($t^2_{2g}e^1_{g}$) 下方 1.5$-$1.7 eV 处。CrCl$_3$ 呈现单离子各向异性 $A_{\rm sia} = -0.02$ meV,而 Cr 自旋-3/2 磁矩通过双线性与双二次交换相互作用铁磁耦合,分别为 $J_1 = -0.97$ meV 与 $J_2 = -0.05$ meV。CrBr$_3$ 与 CrI$_3$ 的对应值分别增至单离子各向异性 $A_{\rm sia} = -0.08$ meV 与 $A_{\rm sia} = -0.12$ meV,交换耦合 $J_1 = -1.21$ meV、$J_2 = -0.05$ meV 与 $J_1 = -1.38$ meV、$J_2 = -0.06$ meV。我们发现总磁各向异性由 $A_{\rm sia}$ 与 $A_{\rm dip}$ 之间的相互作用定义,后者源于磁偶极-偶极相互作用,其倾向于使铁磁单层与块体层状磁体中的磁矩呈面内取向。两种贡献之间的竞争使 CrCl$_3$ 与 CrI$_3$ 分别成为易面($A_{\rm sia}+ A_{\rm dip} > 0$)与易轴($A_{\rm sia}+ A_{\rm dip} < 0$)铁磁体。这些磁体之间的差异可追溯到卤素配体的原子半径与自旋轨道耦合的大小。我们的发现与近期实验高度一致,从而为三卤化铬中的基本相互作用提供了参考值。