轨道驱动的杂质自旋对准三维氧化铜磁序的影响

采用密度泛函计算研究严重扭曲的方平面氧化铜（CuO）在过渡金属杂质 M（= Cr、Mn、Fe、Co 和 Ni）存在下的磁序及其中的局域自旋无序。晶体结构中的畸变通过最小化共价相互作用以降低能带能量，产生了两条交叉的锯齿状自旋-1/2链。由自旋二聚体分析我们发现，沿 [10$\bar 1$] 方向的自旋链具有强海森堡型反铁磁耦合（J ~ 127 meV），而沿 [101] 方向的链则表现出由残余 p-d 共价相互作用介导的弱但稳健的铁磁耦合（J ~ 9 meV）。杂质对磁序的影响与 M 无关，且纯由轨道驱动。若给定 M 的自旋态使得 d$_{x^2-y^2}$ 轨道自旋极化，则原有的长程有序得以维持。然而，若 d$_{x^2-y^2}$ 轨道未被占据，相应共价相互作用的缺失会破坏弱铁磁耦合，并在杂质位点发生自旋翻转，导致长程磁序的崩溃。