选择性掺杂 Barlowite 以实现量子自旋液体：一项第一性原理研究

Barlowite $Cu_4(OH)_6FBr$ 是一种新发现的矿物，含有 $Cu^{2+}$ kagome 平面。尽管在许多方面与著名的量子自旋液体 (QSL) 候选材料 Herbertsmithite $Cu_3Zn(OH)_6Cl_2$ 相似，但本征 Barlowite 并非 QSL，这可能是由于 kagome 平面之间存在 $Cu^{2+}$ 离子，从而诱导了层间 kagome 磁相互作用 [PRL, 113, 227203 (2014)]。利用第一性原理计算，我们系统研究了用等価非磁性离子选择性取代层间 Cu 离子的可行性。与先前推测使用较大掺杂剂（如 $Cd^{2+}$ 和 $Ca^{2+}$）不同，我们确定最理想的化学计量掺杂元素为 Mg 和 Zn，可形成具有最高位点选择性和最小晶格畸变的 $Cu_3Mg(OH)_6FBr$ 和 $Cu_3Zn(OH)_6FBr$。估计 Mg/Zn 掺杂 Barlowite 中的平衡反位无序度比 Herbertsmithite 低一个数量级。单电子能带结构和轨道成分分析表明，所提出的选择性掺杂有效地缓解了 Barlowite 与 Herbertsmithite 之间的差异。