Mott 绝缘体四重钙钛矿 CaCo3V4O12 中的强相互作用、窄能带和主导自旋 - 轨道耦合

我们利用密度泛函理论的一系列方法，研究了最近合成的四重钙钛矿钴钒酸盐 CaCo3V4O12 的电子和磁结构，以及自旋和轨道矩的特征与方向。实施广义梯度近似和 Hubbard U 修正（GGA+U）时，铁磁自旋排列导致半金属性，而非观察到的窄隙绝缘行为。包含自旋轨道耦合（SOC）后，留下了本质上是 Mott 绝缘体的半半金属谱。SOC 对于 V $d^1$ 离子的 Mott 绝缘体特征至关重要，它打破了 $d_{m=\pm 1}$ 简并，并产生了显著的轨道矩。我们获得了关于 Co 上存在大轨道矩的证据，这与从测量磁化率推断出的结果一致。切换到轨道极化（OP）泛函时，GGA+OP+SOC 也显示出趋向非常大轨道矩的明显倾向，但以其独特的方式呈现。在这两种方法中，应用需要指定自旋方向的 SOC，会在原胞中的三个 Co 离子的轨道矩上引入巨大差异。我们研究了一个虚构但更简单的同族化合物 Ca3CoV4O12（用 Ca 替换两个 Co 原子），以更透明的方式探究自旋和轨道自由度与平面 CoO4 单元局部环境之间的相互作用。观察到潜在机制似乎局限于 CoO4 平面单元，且轨道矩的大小与自旋方向之间存在非常强的耦合，这强烈表明不仅 Co 上存在非共线自旋，V 子晶格上也是如此。