论文部分内容阅读
铜氧化物的高温超导一直是凝聚态物理里久未攻克的热门话题。近年来，5d过渡金属氧化物Sr2IrO4因为其同构于铜氧化物La2CuO4受到了广泛的研究。Sr2IrO4也表现出诸多重要的类似于铜氧化物的相关现象。在Neel温度TN(≈)230K以下，Sr2IrO4表现出canted反铁磁绝缘体的基态，面内磁矩的倾斜角度θ(≈)11°并且遵循IrO6八面体沿z轴交错偏转的构型而交错倾斜。由于自旋轨道耦合与电子关联的相互作用，未掺杂的Sr2IrO4表现出了一种新奇的Jeff=1/2的Mott绝缘态。在Sr2IrO4的反铁磁绝缘体里进行掺杂被期望得到类似铜氧化物3d的eg电子的5d的t2g电子的行为。尽管目前为止，实验上还未在Sr2IrO4中发现高温超导现象，但是角分辨光电子能谱和扫描隧道显微镜已经在电子掺杂的Sr2IrO4观测到伴随着赝能隙行为的费米弧和V形的低能能隙。 在这篇论文中，主要研究了钙钛矿结构的Sr2IrO4中的电子关联和自旋轨道耦合对于其中反铁磁各向异性的影响。针对Ir原子的5d5电子构型，引入的五带Hubbard模型中包括了电子跃迁项，晶体场项，自旋轨道耦合项和电子关联项。为了研究该模型的基态性质，利用Hartree-Fock近似来处理电子关联，通过自洽迭代过程来获得系统基态的自旋轨道密度矩阵，从而进一步计算相关物理量。首先固定自旋轨道耦合系数为Sr2IrO4中的实际物理值，通过改变Hund耦合系数J和轨道内库伦排斥作用U，获得了以J/U和U为坐标的未掺杂的Sr2IrO4的相图，相图中有着丰富而有趣的磁性相，包括顺磁态，xy面内的canted反铁磁态和自旋沿着z轴的共线反铁磁态，其中自旋沿着z轴的反铁磁态还可以细分为高自旋态和低自旋态。为了深入研究反铁磁磁矩的各向异性，通过固定反铁磁磁矩的方向来展开变分计算。发现当不计入Hund耦合系数J时，反铁磁磁矩具有xy平面的旋转对称性。然而Hund耦合系数J的引入会使得旋转对称性破缺为C4对称性，同时系统的基态倾向于反铁磁磁矩沿着[1，1，0]方向的态。相反，面外的反铁磁各向异性在没有Hund耦合的情况下仍然存在，并且Hund耦合的引入给面外的反铁磁各向异性带来非单调的影响，使得系统的基态会再次青睐于自旋沿着z轴的反铁磁态。 为了深入了解相图中发生的相变，通过固定J/U(U)仔细研究了面内canted反铁磁态和z方向反铁磁态随U(J/U)的变化行为。发现了由于Hund耦合与轨道间库伦排斥作用的相互影响以及自旋轨道耦合与Hund耦合的相互竞争，系统才会呈现出如此丰富的相图。同时对z方向反铁磁态内的自旋状态转变进行了拟合，分析了低自旋态和高自旋态转变的原因。最后，固定电子关联来研究自旋轨道耦合对于磁各向异性的影响。令人惊讶的是，尽管自旋轨道耦合是磁各向异性产生的一个重要原因，但是计算表明SOC对系统基态中磁矩方向的选择没有太大影响。