Mn掺杂YBaCuFeO$_{5}$中轨道驱动的自旋重取向

缺氧层状钙钛矿YBaCuFeO$_{5}$(YBCFO)是一种罕见类型的II型多铁材料，其中由非公度螺旋磁序驱动的铁电性被认为可在高于室温的温度下实现。环形螺旋而非螺旋形螺旋序是该材料中铁电性存在的必要因素。受近期关于Mn掺杂YBCFO的实验工作启发——该实验观察到相较于母体化合物，在Fe位掺杂Mn后螺旋面更倾向于向晶格$c$轴倾斜——我们采用密度泛函理论计算进行了详细的理论研究，以理解此种自旋重取向背后的机制。在GGA+U+SO近似下，我们的总能量计算表明，在Mn掺杂化合物中Fe/Cu自旋矩确实比在母体化合物YBCFO中更朝向$c$轴排列。观察到最大的交换相互作用($ab$面内的Cu-Cu)随Mn掺杂浓度系统性减小，反映了实验中观察到的转变温度降低。此外，在掺杂化合物中层间Cu-Mn交换相互作用变为铁磁性，而母体化合物中相应的Cu-Fe交换为反铁磁性，从而在公度磁序中引起阻挫。最为重要的是，我们的电子结构计算揭示，在掺杂化合物中由于与Mn的d$_{z^2}$轨道杂化，最高占据的Cu轨道变为d$_{z^2}$，而在母体化合物中最高占据的Cu轨道为d$_{x^2-y^2}$。因此，我们认为，平面外取向的Cu d$_{z^2}$轨道取代平面d$_{x^2-y^2}$轨道的占据，连同阻挫交换相互作用，驱动掺杂化合物中的自旋沿$c$轴排列。