镁方铁矿 (Fe,Mg)O 中铁的压力诱导自旋态转变

我们利用密度泛函理论结合动力学平均场理论 (DFT+DMFT) 的全电荷自洽实现，对镁方铁矿 Fe$_{1-x}$Mg$_x$O（$x$ 范围在 0 至 0.875 之间）的电子、磁性和结构性质进行了详细的理论研究。特别地，我们计算了岩盐 B1 结构 (Fe,Mg)O 在与地球下地幔相关的高压下的电子结构和相稳定性。我们得到，在压缩下，顺磁性 (Fe,Mg)O 表现出 Fe$^{2+}$ 离子从高自旋到低自旋 (HS-LS) 的自旋态转变，并伴随局域磁矩的塌缩。HS-LS 转变导致晶格体积显著下降约 4–8%，意味着电子自由度与晶格自由度之间存在复杂的相互作用。我们的结果揭示了计算得到的转变压力 $P_{\rm tr.}$ 对 Mg 的添加具有很强的敏感性。对于富铁镁方铁矿（Mg $x < 0.5$），$P_{\rm tr.}$ 在约 80 GPa 处表现出相当微弱的变化；而对于贫铁 (Fe,Mg)O，$P_{\rm tr.}$ 则下降，例如，当 Mg $x=0.75$ 时下降约 35% 至 52 GPa。这一行为伴随着自旋转变范围从 FeO 中的 50–140 GPa 显著变化到 $x=0.75$ 时的 30–90 GPa。此外，计算得到的体弹模量（在 HS 态）从 FeO 中的 142 GPa 增加到 Mg $x=0.875$ 的 (Fe,Mg)O 中的 159 GPa，增幅约 12%。我们发现压力诱导的 HS-LS 转变对富铁和贫铁 (Fe,Mg)O 的电子性质有不同的影响。对于富铁 (Fe,Mg)O，该转变被发现伴随着莫特绝缘体到（半）金属的相变。与此相反，对于 $x>0.25$，(Fe,Mg)O 在所研究的最高压力下仍保持绝缘性，意味着在 HS-LS 转变处发生了莫特绝缘体到能带绝缘体的相变。