高压下 Fe2O3 中位选 Mott 转变的理论与实验证据

我们提供了一种新型压致绝缘体-金属转变的实验和理论证据,其特征是电子的位选离域。对 Fe$_2$O$_3$ 高达 100 GPa 的 Mössbauer 谱、X 射线衍射和电输运测量,以及动力学平均场理论(DFT+DMFT)计算,揭示了在 50 至 68 GPa 之间发生的这种位选 Mott 转变,使得金属化可以描述为 ($^{\rm{VI}}$Fe$^{3+\rm{HS}}$)$_2$O$_3$ [$R\bar{3}c$ 结构] $\overrightarrow{\tiny\rm{50~GPa}}$ ($^{\rm{VIII}}$Fe$^{3+\rm{HS~VI}}$Fe$^{\rm{M}}$)O$_3$ [$P2_1/n$ 结构] $\overrightarrow{\tiny\rm{68~GPa}}$ ($^{\rm{VI}}$Fe$^{\rm{M}}$)$_2$O$_3$ [$Aba2$ 结构]。在以两个不同配位位点(VI 和 VIII)为特征的 $P2_1/n$ 晶体结构中,我们观察到等量的铁离子(Fe$^{3+}$)和具有离域电子的离子(Fe$^{\rm{M}}$),只有在更高压力下才获得完全金属化的 $Aba2$ 结构,且这一切均在室温下发生。该转变的特征是一半 Fe 位点上的 $3d$ 电子发生离域/金属化,并伴随依赖于位点的局域磁矩坍缩。在约 50 GPa 以上,Fe$_2$O$_3$ 是一种强关联金属,在 Fermi 能级附近具有降低的电子迁移率(大的能带重整化),m*/m 约为 4 和 6。在减压过程中,我们观察到在相同的 $P2_1/n$ 结构内发生从位选(金属)到常规 Mott 绝缘体相的转变 ($^{\rm{VIII}}$Fe$^{3+\rm{HS~VI}}$Fe$^{\rm{M}}$)O$_3$ $\overrightarrow{\tiny\rm{50~GPa}}$ ($^{\rm{VIII}}$Fe$^{3+\rm{HS~VI}}$Fe$^{3+ \rm{HS}}$)O$_3$,表明电子与晶格自由度的解耦,这是真正 Mott 转变的特征。我们的结果表明,电子关联与晶格的相互作用可能导致电子结构和磁态相当复杂的行为。