Electronic structure and resonant inelastic X-ray scattering in pyrochlore Y2Os2O7
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0046528Ключові слова:
resonant inelastic X-ray scattering, X-ray magnetic circular dichroism, strong Coulomb correlationsАнотація
В рамках теорії функціонала густини на основі зонних розрахунків повністю релятивістським спін-поляризованим лінійним зонним методом МТ-орбіталей з використанням узагальненого градієнтного наближення та з урахуванням сильних кулонівських кореляцій досліджено електронні та магнітні властивості пірохлорного осмату Y2Os2O7, який є ізолятором Мотта з магнітним порядком типу «all-in/all-out». Теоретично, на основі перших принципів, досліджено спектри рентгенівського поглинання та рентгенівського магнітного циркулярного дихроїзму на L2,3 краях поглинання Os. Також теоретично досліджено спектр резонансного непружного рентґенівського розсіяння (RIXS) на L3-краї Os. Результати розрахунків добре узгоджуються з експериментальними даними. Експериментально виміряний спектр RIXS осмату Y2Os2O7, окрім піка пружного розсіяння при 0 еВ, має виразну особливість нижче 2,0 еВ, що відповідає переходам між Os t2g рівнями. Iнтенсивний пік поблизу 4,5 еВ, який походить від t2g → eg переходів, тоді як широка спектральна структура в діапазоні 7–15 еВ відповідає збудженням із перенесенням заряду від лігандів до металу. Також представлені детальні теоретичні розрахунки RIXS спектра на K-краї кисню.
Посилання
1. J. E. Greedan, J. Mater. Chem. 11, 37 (2001). https://doi.org/10.1039/b003682j
2. R. Kmiec, Ż. Switkowska, J. Gurgul, M. Rams, A. Zarzycki, and K. Tomala, Phys. Rev. B 74, 104425 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.104425
3. X.-L. Qi, and S.-C. Zhang, Physics Today 63, 33 (2010).
4. Y. Ando, J. Phys. Soc. Jpn. 82, 102001 (2013). https://doi.org/10.7566/JPSJ.82.102001
5. T. O. Wehling, A. Black-Schaffer, and A. Balatsky, Adv. Phys. 63, 1 (2014). https://doi.org/10.1080/00018732.2014.927109
6. A. Bansi, H. Lin, and T. Das, Rev. Mod. Phys. 88, 021004 (2016). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.88.021004
7. B. J. Kim, H. Jin, S. J. Moon, J.-Y. Kim, B.-G. Park, C. S. Leem, J. Yu, T. W. Noh, C. Kim, S.-J. Oh, J.-H. Park, V. Durairaj, G. Cao, and E. Rotenberg, Phys. Rev. Lett. 101, 076402 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.076402
8. B. J. Kim, H. Ohsumi, T. Komesu, S. Sakai, T. Morita, H. Takagi, and T. Arima, Science 323, 1329 (2009).
9. G. Jackeli, and G. Khaliullin, Phys. Rev. Lett. 102, 017205 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.017205
10. H. Watanabe, T. Shirakawa, and S. Yunoki, Phys. Rev. Lett. 105, 216410 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.216410
11. C. Martins, M. Aichhorn, L. Vaugier, and S. Biermann, Phys. Rev. Lett. 107, 266404 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.266404
12. W. Witczak-Krempa, and Y. B. Kim, Phys. Rev. B 85, 045124 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.045124
13. A. Go, W. Witczak-Krempa, G. S. Jeon, K. Park, and Y. B. Kim, Phys. Rev. Lett. 109, 066401 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.066401
14. A. B. Sushkov, J. B. Hofmann, G. S. Jenkins, J. Ishikawa, S. Nakatsuji, S. DasSarma, and H. D. Drew, Phys. Rev. B 92, 241108 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.241108
15. I. Kimchi, J. G. Analytis, and A. Vishwanath, Phys. Rev. B 90, 205126 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.205126
16. I. I. Mazin, H. O. Jeschke, K. Foyevtsova, R. Valenti, and D. I. Khomskii, Phys. Rev. Lett. 109, 197201 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.197201
17. H.-S. Kim, C. H. Kim, H. Jeong, H. Jin, and J. Yu, Phys. Rev. B 87, 165117 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.165117
18. T. Takayama, A. Yaresko, A. Matsumoto, J. Nuss, K. Ishii, M. Yoshida, J. Mizuki, and H. Takagi, Sci. Rep. 4, 6818 (2014). https://doi.org/10.1038/srep06818
19. T. Takayama, A. Kato, R. Dinnebier, J. Nuss, H. Kono, L. S. I. Veiga, G. Fabbris, D. Haskel, and H. Takagi, Phys. Rev. Lett. 114, 077202 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.077202
20. L. S. I. Veiga, M. Etter, K. Glazyrin, F. Sun, J. C. A. Escanhoela, G. Fabbris, J. R. L. Mardegan, P. S. Malavi, Y. Deng, P. P. Stavropoulos, H.-Y. Kee, W. G. Yang, M. van Veenendaal, J. S. Schilling, T. Takayama, H. Takagi, and D. Haskel, Phys. Rev. B 96, 140402(R) (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.140402
21. V. Hermann, M. Altmeyer, J. Ebad-Allah, F. Freund, A. Jesche, A. A. Tsirlin, M. Hanfland, P. Gegenwart, I. I. Mazin, D. I. Khomskii et al, Phys. Rev. B 97, 020104(R) (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.020104
22. V. N. Antonov, L. V. Bekenov, and D. A. Kukusta, Phys. Rev. B 102, 195134 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.195134
23. V. N. Antonov, D. A. Kukusta, L. Uba, A. Bonda, and S. Uba, Phys. Rev. B 103, 235127 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.235127
24. V. N. Antonov, D. A. Kukusta, and L. V. Bekenov, Phys. Rev. B 109, 165120 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.165120
25. G.-W. Chern, and C. D. Batista, Phys. Rev. Lett. 107, 186403 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.186403
26. O. N. Meetei, O. Erten, M. Randeria, N. Trivedi, and P. Woodward, Phys. Rev. Lett. 110, 087203 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.087203
27. O. N. Meetei, W. S. Cole, M. Randeria, and N. Trivedi, Phys. Rev. B 91, 054412 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.054412
28. Q. Chen, C. Svoboda, Q. Zheng, B. C. Sales, D. G. Mandrus, H. D. Zhou, J.-S. Zhou, D. McComb, M. Randeria, N. Trivedi, et al, Phys. Rev. B 96, 144423 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.144423
29. M. Bremholm, S. E. Dutton, P. W. Stephens, and R. J. Cava, J. Solid State Chem. 184, 601 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jssc.2011.01.028
30. M. Wakeshima, D. Harada, and Y. Hinatsu, J. Alloys Compd. 287, 130 (1999). https://doi.org/10.1016/S0925-8388(99)00057-2
31. E. M. Ramos, I. Alvarez, R. Saez-Puche, M. L. Veiga, and C. Pico, J. Alloys Compd. 225, 212 (1995). https://doi.org/10.1016/0925-8388(94)07106-3
32. Y. Shi, Y. Guo, Y. Shirako, W. Yi, X. Wang, A. A. Belik, Y. Matsushita, H. L. Feng, Y. Tsujimoto, M. Arai, et al, J. Am. Chem. Soc. 135, 16507 (2013). https://doi.org/10.1021/ja4074408
33. G. Cao, T. F. Qi, L. Li, J. Terzic, S. J. Yuan, L. E. DeLong, G. Murthy, and R. K. Kaul, Phys. Rev. Lett. 112, 056402 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.056402
34. T. Dey, A. Maljuk, D. V. Efremov, O. Kataeva, S. Gass, C. G. F. Blum, F. Steckel, D. Gruner, T. Ritschel, A. U. B. Wolter, J. Geck, C. Hess, K. Koepernik, J. van den Brink, S. Wurmehl, and B. Büchner, Phys. Rev. B 93, 014434 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.014434
35. J. Terzic, H. Zheng, F. Ye, H. D. Zhao, P. Schlottmann, L. E. De Long, S. J. Yuan, and G. Cao, Phys. Rev. B 96, 064436 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.064436
36. M. Kusch, V. M. Katukuri, N. A. Bogdanov, B. Buchner, T. Dey, D. V. Efremov, J. E. Hamann-Borrero, B. H. Kim, M. Krisch, A. Maljuk, et al, Phys. Rev. B 97, 064421 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.064421
37. M. A. Laguna-Marco, E. Arias-Egido, C. Piquer, V. Cuartero, L. Hernández-López, P. Kayser, J. A. Alonso, J. A. T. Barker, G. Fabbris et al, Phys. Rev. B 101, 014449 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.014449
38. G. Khaliullin, Phys. Rev. Lett. 111, 197201 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.197201
39. S. Calder, J. Vale, N. Bogdanov, X. Liu, C. Donnerer, M. Upton, D. Casa, A. Said, M. Lumsden, Z. Zhao, et al., Nature Commun. 7, 11651 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms11651
40. Z. Y. Zhao, S. Calder, A. A. Aczel, M. A. McGuire, and B. C. Sales, Phys. Rev. B 93, 134426 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.134426
41. N. R. Davies, C. V. Topping, H. Jacobsen, A. J. Princep, F. K. K. Kirschner, M. C. Rahn, M. Bristow, J. G. Vale, I. da Silva, P. J. Baker, Ch. J. Sahle, Y.-F. Guo, D.-Y. Yan, Y.-G. Shi, S. J. Blundell, D. F. McMorrow, and A. T. Boothroyd, Phys. Rev. B 99, 174442 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.174442
42. L. J. P. Ament, M. van Veenendaal, T. P. Devereaux, and J. P. Hill, and J. van den Brink, Rev. Mod. Phys. 83, 705 (2011). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.83.705
43. F. M. F. de Groot, M. W. Haverkort, H. Elnaggar, A. Juhin, K.-J. Zhou, and P. Glatzel, Nat. Rev. Methods Primers 4, 46 (2024). https://doi.org/10.1038/s43586-024-00333-3
44. V. Antonov, B. Harmon, and A. Yaresko, Electronic Structure and Magneto-Optical Properties of Solids (Kluwer, Dordrecht, 2004).
45. G. Y. Guo, H. Ebert, W. M. Temmerman, and P. J. Durham, Phys. Rev. B 50, 3861 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.3861
46. E. Arola, M. Horne, P. Strange, H. Winter, Z. Szotek, and W. M. Temmerman, Phys. Rev. B 70, 235127 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.235127
47. G. van der Laan, and B. T. Thole, Phys. Rev. Lett. 60, 1977 (1988). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.60.1977
48. V. V. Nemoshkalenko, A. E. Krasovskii, V. N. Antonov, Vl. N. Antonov, U. Fleck, H. Wonn, and P. Ziesche, Phys. Status Solidi B 120, 283 (1983). https://doi.org/10.1002/pssb.2221200130
49. E. Arola, P. Strange, and B. L. Gyorffy, Phys. Rev. B 55, 472 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.472
50. V. N. Antonov, D. A. Kukusta, and L. V. Bekenov, Phys. Rev. B 105, 155144 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.155144
51. M. A. Subramanian, G. Aravamudan, and G. V. S. Rao, Prog. Solid State Chem. 15, 55 (1983). https://doi.org/10.1016/0079-6786(83)90001-8
52. D. Mandrus, J. R. Thompson, R. Gaal, L. Forro, J. C. Bryan, B. C. Chakoumakos, L. M. Woods, B. C. Sales, R. S. Fishman, and V. Keppens, Phys. Rev. B 63, 195104 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.195104
53. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
54. P. E. Blöchl, O. Jepsen, and O. K. Andersen, Phys. Rev. B 49, 16223 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.49.16223
55. J. L. Campbell, and T. Parr, At. Data Nucl. Data Tables 77, 1 (2001). https://doi.org/10.1006/adnd.2000.0848
56. A. N. Yaresko, V. N. Antonov, and P. Fulde, Phys. Rev. B 67, 155103 (2003). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.155103
57. P. H. Dederichs, S. Blügel, R. Zeller, and H. Akai, Phys. Rev. Lett. 53, 2512 (1984). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.2512
58. W. E. Pickett, S. C. Erwin, and E. C. Ethridge, Phys. Rev. B 58, 1201 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.1201
59. V. N. Antonov, D. A. Kukusta, and L. V. Bekenov, Phys. Rev. B 105, 155145 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.155145
60. O. V. Kovalev, Representations of the Crystallographic Space Groups 2nd edn (Gordon and Breach, Switzerland, 1993).
61. A. S. Wills, M. E. Zhitomirsky, B. Canals, J. P. Sanchez, P. Bonville, P. D. de Reotier, and A. Yaouanc, J. Phys. Condens. Matter 18, L37 (2006). https://doi.org/10.1088/0953-8984/18/3/L02
62. J. Yamaura, K. Ohgushi, H. Ohsumi, T. Hasegawa, I. Yamauchi, K. Sugimoto, S. Takeshita, A. Tokuda, M. Takata, M. Udagawa, M. Takigawa et al, Phys. Rev. Lett. 108, 247205 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.247205
63. A. Uehara, H. Shinaoka, and Y. Motome, Phys. Procedia 75, 495 (2015). https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.12.062
64. Z. Hiroi, J. Yamaura, T. Hirose, I. Nagashima, and Y. Okamoto, APL Mater. 3, 041501 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4907734
65. J. G. Vale, S. Calder, N. A. Bogdanov, C. Donnerer, M. M. Sala, N. R. Davies, D. Mandrus, J. van den Brink, A. D. Christianson, and D. F. McMorrow, Phys. Rev. B 101, 014441 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.014441
66. X. Wan, A. M. Turner, A. Vishwanath, and S. Y. Savrasov, Phys. Rev. B 83, 205101 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.205101
67. H. Sagayama, D. Uematsu, T. Arima, K. Sugimoto, J. J. Ishikawa, E. O’Farrell, and S. Nakatsuji, Phys. Rev. B 87, 100403(R) (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.100403
68. H. Takatsu, K. Watanabe, K. Goto, and H. Kadowaki, Phys. Rev. B 90, 235110 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.235110
69. S. M. Disseler, Phys. Rev. B 89, 140413(R) (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.140413
70. H. Shinaoka, S. Hoshino, M. Troyer, and P. Werner, Phys. Rev. Lett. 115, 156401 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.156401
71. H. Zhang, K. Haule, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. Lett. 118, 026404 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.026404
72. Y. Wang, H. Weng, L. Fu, and X. Dai, Phys. Rev. Lett. 119, 187203 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.187203
73. V. N. Antonov, D. A. Kukusta, and L. V. Bekenov, J. Magn. Magn. Mater. 559, 169496 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169496
74. D. A. Kukusta, L. V. Bekenov, and V. N. Antonov, J. Magn. Magn. Mater. 614, 172662 (2025). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2024.172662
75. V. N. Antonov, D. A. Kukusta, and L. V. Bekenov, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 270, 147416 (2024). https://doi.org/10.1016/j.elspec.2023.147416
