近日，南京大学物理学院孙建教授团队预言了一种新型电子化合物K(NH3)2，并揭示其在一定压强下存在由间隙电子诱导的准二维自旋佩尔斯相变。相关工作以“Quasi-2D spin-Peierls transition through interstitial anionic electrons in K(NH3)2”为题发表于[Science Bulletin 69, 1027 (2024)]。
关联电子与声子的耦合行为是近年来凝聚态物理中的研究热点。模型研究发现，在一维半填充的自旋-1/2反铁磁体系中，局域库仑作用可以增强由电声子耦合引起的晶格二聚化，诱导出自旋佩尔斯(spin-Peierls)相变，但与其相对应的真实材料一直未曾发现。因此，寻找具有关联电子和声子耦合现象的真实材料体系至关重要。另一方面，电子化合物中存在占据晶体空隙的非束缚电子(IAEs)，有关自旋极化的间隙电子及其与声子耦合行为的研究非常稀少。据我们所知，大多数反铁磁间隙电子存在于有机电子化合物中，而它们的晶胞通常有上百原子，极大限制了理论计算研究。
孙建教授等人通过其自主开发的机器学习与图论辅助的晶体结构预测软件MAGUS结合第一性原理计算方法，预测新型电子化合物K(NH3)2中的间隙电子分布在由六个氢原子包围的空隙之中，形成准二维的三角晶格阵列，其穿过费米面的能带主要由这些间隙电子贡献。该材料在加压后存在声子软化和佩尔斯失稳行为。随压强增加,能带范霍夫奇点逐渐向费米能级移动，是晶格二聚化的主要驱动力。范霍夫奇点还对应着台阶型的态密度曲线，导致电子关联效应增强，诱导出磁性失稳。与传统磁性体系不同，K(NH3)2中的反铁磁性主要来自于间隙电子，可以用二维海森堡模型来描述。更重要的是，该材料中磁性间隙电子和佩尔斯晶格失稳不仅可以共存，而且还彼此助益，提供了一个准二维自旋佩尔斯相变的特例。
该工作首次发现具有准二维自旋-佩尔斯相变行为的体系，为研究关联电子和声子的耦合作用提供了真实材料平台。特别是这个体系涉及间隙电子，为研究电子化合物体系中的磁性相互作用以及其诱导的结构畸变、电荷密度波等行为，提供了宝贵案例。
孙建教授课题组博士后丁驰为第一作者，孙建教授为通讯作者，南大物理学院邢定钰院士提供了重要指导，孙建教授课题组学生鲁清、郭照芃（已毕业，现为杭州师范大学副教授）、黄天衡、王俊杰、韩瑜等参与了工作。该项研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委杰出青年基金、中央高校基本业务费、南京大学卓越研究计划等经费的资助，得到了南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室的支持。相关计算工作主要在南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心高性能计算中心、南京大学高性能计算中心的超级计算机上进行。
文章链接：
Chi Ding, Qing Lu, Zhaopeng Guo, Tianheng Huang, Junjie Wang, Yu Han, Dingyu Xing, Jian Sun*, Quasi-2D spin-Peierls transition through interstitial anionic electrons in K(NH3)2, Science Bulletin 69, 1027 (2024). https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.02.016
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图1 (a)钾铵化合物的包络线;(b)R-3m相的能带投影以及(c)态密度投影;(d)电子局域化函数和(e)价电子的实空间分布，以及(f)它们的实空间切面;(g)和(h) R-3m相分别在8 GPa和10 GPa的费米面形状及鞍点位置。
图2 (a)范霍夫奇点及其对应的声子波矢；(b)随压强变化的声子谱和声子软化现象以及(c-e)对应的二聚化P21/m结构；(f)锯齿形反铁磁间隙电子及(g)极化投影态密度；(h) R-3m相和P21/m相的各种磁构型能量随压强变化曲线。