过渡金属氧化物中轨道稀释修正的自旋 - 轨道序：从自旋缺陷到极化主体轨道的阻挫自旋

我们研究了 $4d$ 过渡金属氧化物中的 $3d$ 取代，具体涉及在 $3d^2$ 或 $4d^4$ 位点进行 $3d^3$ 掺杂从而实现轨道稀释的情况。我们在具有不同离子价态的 Mott 绝缘体中推导了有效的 $3d-4d$（或 $3d-3d$）超交换作用，强调了杂质与主体位点之间涌现的自旋 - 轨道耦合结构，并证明其在性质上与主体内部遇到的结构截然不同。该推导表明，主体与杂质之间的相互作用关键取决于双重占据的 $t_{2g}$ 轨道的类型。研究发现，在某些情况下，由于 $3d$ 杂质处轨道自由度的淬灭，掺杂会剧烈改变主体内的自旋和轨道序。当主体 - 杂质耦合较弱时，杂质表现为自旋 - 轨道结构中的自旋缺陷伴随轨道空位；或者它倾向于沿 $3d-4d$ 键形成双重占据的活性轨道（轨道极化子），导致反铁磁或铁磁自旋耦合。这种不同磁耦合之间的竞争导致了截然不同的基态。我们发现，磁阻挫和自旋简并可以通过主体的量子轨道翻转来解除，但在非公度相图的特定区域它们是稳健的。自旋 - 轨道耦合可导致沿对称方向的各向异性自旋和轨道图案，并引起由自旋 - 轨道超交换施加的序的根本性修正。我们的发现预计对未来理解掺杂 $3d^3$ 离子的 $4d$ 过渡金属氧化物的实验结果具有重要意义。我们提出了如何实验检测此类杂质诱导的自旋 - 轨道序的局部或全局变化。