Fe$_{2}$O$_{3}$中的结构和自旋转变

在很宽的压力范围内对Fe$_{2}$O$_{3}$进行了第一性原理密度泛函计算。基态是刚玉型赤铁矿，是一种反铁磁绝缘体。这与实验和其他理论研究结果吻合良好。随着压力增加，基态高自旋磁相通过电荷转移能隙的闭合转变为低自旋相。系统还演化出一种新的正交结构。基于\textit{单}阳离子型和\textit{双}阳离子型图像，畸变刚玉或Rh$_{2}$O$_{3}$(II)型结构（具有Pbcn对称性）和Pbnm型钙钛矿结构是这种结构相的两种已知竞争候选。在我们的计算中，在大约38 GPa时，Rh$_{2}$O$_{3}$(II)型结构相对于基态赤铁矿变得更加稳定。我们的计算排除了Pbnm型钙钛矿在该压力范围内的相对稳定性。Rh$_{2}$O$_{3}$(II)型结构保持其低自旋态，每个Fe原子具有1 $\mu_{B}$，直到约120 GPa。在此压力下，Rh$_{2}$O$_{3}$(II)型结构中的非磁解相对于低自旋解变得更为有利。随着压力进一步增加至约330 GPa，系统演化出另一种新的结构相。这种新的正交结构相是非磁性的，具有Pmc2$_{1}$对称性，是Cmcm的一个子群。令人惊讶的是，随着压力继续升高，Pbnm型非磁解变得与Pmc2$_{1}$型结构竞争，并最终在约880 GPa时变得稳定。