磁铁矿中 Verwey 相变的起源：群论、电子结构与晶格动力学研究

本文利用群论方法分析了磁铁矿中的 Verwey 相变。研究发现，具有 $X_3$ 和 $\Delta_5$ 对称性的两个序参量诱导了从高温立方相到低温单斜相的结构转变。序参量之间的耦合由 Landau 自由能泛函描述。利用 {\it ab initio} 密度泛函方法优化了立方相和单斜相的电子与晶体结构。电子结构计算在广义梯度近似下进行，并包含了铁离子 3d 电子间的在位相互作用——库仑项 $U$ 和 Hund 交换 $J$。只有考虑这些局域相互作用时，通过直接法获得的立方相声子色散曲线才能重现实验数据。研究表明，局域电子相互作用及其与晶格的耦合驱动了声子序参量，并导致费米能级处能隙的打开。因此发现，磁铁矿中的金属 - 绝缘体相变是由局域电子相互作用促进的，这些相互作用显著增强了电子 - 声子相互作用，并稳定了与 Fe 离子占据态 $t_{2g}$ 轨道序共存的弱电荷序。这为理解磁铁矿中 Verwey 相变起源这一基本问题提供了一种方案。