d^7 钴化合物中的赝自旋交换相互作用：Kitaev 模型的可能实现

当前寻找承载 Kitaev 模型物理的材料 efforts 主要集中在具有 $t_{2g}^5(S=1/2, L=1)$ 电子构型的 $d^5$ 赝自旋 -1/2 离子 Ir$^{4+}$ 和 Ru$^{3+}$ 的 Mott 绝缘体上。在此，我们提出 Kitaev 模型可在基于具有 $t_{2g}^5e_g^2(S=3/2, L=1)$ 构型（如 Co$^{2+}$）的 $d^7$ 离子材料中实现，这些材料同样承载赝自旋 -1/2 磁性。考虑到可能的交换过程，我们推导了 90^{\circ} 键合几何下的 $d^7$ 赝自旋 -1/2 相互作用。所得哈密顿量包含与 $d^5$ 离子情况类似的键定向 Kitaev $K$ 相互作用和各向同性 Heisenberg $J$ 相互作用。然而，我们发现额外的自旋活性 $e_g$ 电子的存在根本性地改变了 Kitaev 耦合与 Heisenberg 耦合之间的平衡。最引人注目的是，我们表明涉及 $e_g$ 自旋的交换过程高度敏感于系统处于 Mott ($U<\Delta$) 还是电荷转移 ($U>\Delta$) 绝缘机制。在后一种情况下（许多钴化合物实际上属于此类），反铁磁 Heisenberg 耦合 $J$ 受到强烈抑制，从而可稳定自旋液体相。研究结果表明，基于钴的材料是实现 Kitaev 模型的有希望的候选者。