The effect of atomic spin-orbit coupling on DFT+DMFT calculations of LiOsO3

Abstract

Aktuelle Experimente an den 5d-Osmium Oxid Perowskiten NaOsO3 und LiOsO3 haben auffällige Unterschiede in den Eigenschaften dieser beiden Materialien ergeben. Mittels Infrarot-Spektroskopie wird für NaOsO3 ein metallisches Verhalten bei Temperaturen oberhalb von 420K, ein Metall-Isolator Übergang bei niedrigeren Temperaturen, sowie eine langreichweitige antiferromagnetische Ordnung gemessen, die durch einen Slater-Lifshitz Übergang verursacht werden. LiOsO3 zeigt kein magnetisches Verhalten auf der vollständigen Temperaturskala und wird hauptsächlich durch die rasche Abnahme des Drude-Peaks in der optischen Leitfähigkeit charakterisiert. Die beobachteten Unterschiede der beiden Materialien können nicht durch eine dichtefunktionaltheoretische (DFT) Behandlung erklärt werden, welche zwei ähnliche, kohärente, metallische Phasen ergeben würde. Die Erweiterung der Rechnung um lokale Wechselwirkungen (DFT+DMFT) mittels dynamischer Molekularfeldtheorie (DMFT) bringt eine deutliche Verbesserung der Beschreibung, allerdings keine Übereinstimmung mit dem Experiment. Es lässt sich zeigen, dass LiOsO3 bei steigender Temperatur wesentlich schneller seine kohärente, metallische Phase verliert als NaOsO3, was bedeutet, dass sich dieses Material näher an einer Mott-Hund isolierenden Phase befindet. Bei Verwendung von ab-initio durch DFT berechneten Parametern ist dieser Effekt verglichen zum Experiment schwächer und findet bei höheren Termperaturen statt. Die Ursache liegt in der Schwächung der Hundschen Wechselwirkung aufgrund der Aufhebung der t2g Entartung um etwa 250meV durch das vorherrschende Kristallfeld. Die Berücksichtigung von lokaler (atomarer) Spin-Orbit Kopplung, deren atomarer Anteil auf etwa 250 meV abgeschätzt werden kann, in DFT+DMFT Rechnungen, könnte im Prinzip die Entartung der t2g Orbitale wieder herstellen und daher auch der beobachteten Delokalisierung entgegenwirken. Unsere Rechnungen zeigen allerdings, dass das nicht der Fall ist und dass die lokale Spin-Orbit Kopplung die Aufspaltung der t2g Orbital weiter verstärkt. Dadurch kommt es zu einer zusätzlichen Metallisierung von LiOsO3, besonders bei sehr hohen Temperaturen (1160 K). Die Unterschiede zwischen unserer theoretischen Beschreibung und den experimentellen Resultaten können daher nicht erklärt werden. Allerdings zeigen unsere Rechnungen, dass lokale Spin-Orbit Kopplung eine ausschlaggebende Rolle für das magnetische Verhalten von LiOsO3 spielt, welches unter Vernachlässigung derselbigen eine starke Tendenz zur Ausbildung einer langreichweitigen antiferromagnetischen Ordnung zeigt. Nur durch Berücksichtigung von lokaler Spin-Orbit Kopplung kann die experimentell beobachtete, paramagnetische Phase numerisch stabilisiert werden.

Recent experiments on the 5d-Osmium oxide perovskites NaOsO3 and LiOsO3 find striking differences in the physical properties of these two compounds. Infrared-spectroscopy experiments on NaOsO3 show a metallic behavior above 420K and a metal-insulator transition at lower temperatures accompanied by the onset of an antiferromagnetic long-range order induced by a Slater-Lifshitz transition. LiOsO3 does not display any magnetic phase on the whole temperature range and is characterized by a strong increase of the DC resistivity and a rapid decrease of the Drude peak in the optical conductivity with increasing temperature. The differences in the high temperature behavior of the two materials cannot be captured by density-functional theory (DFT) calculations, which would yield two very similar, coherent, metallic phases for both cases. The inclusion of local correlations by means of DFT+DMFT (dynamical mean-field theory) improves the description, but does not yield perfect agreement with the experiments. In fact, our DFT+DMFT calculation could explain a more rapid loss of the metallic coherence by increasing the temperature in LiOsO3 (w.r.t. NaOsO3) in terms of a slightly closer proximity of this compound to a Mott-Hunds insulating phase. However, by considering interaction values extracted by ab-initio estimates, the overall effect appears weaker and confined to higher temperatures than in the experiment, because the localizing effect of the Hunds exchange is weakened by a small lifting of the t2g-degeneracy by about 250meV, due to the crystal field. In principle, the inclusion of the local (atomic) spin-orbit coupling (whose atomic part is estimated to be about 250meV) into DFT+DFMT calculations could have counterbalanced the t2g splitting and, hence, the related weakening of localization. Our calculations show that local spin-orbit coupling, in fact, further increases the lifting of the t2g degeneracy leading to a further metallization of LiOsO3, especially at high temperatures (1160 K). Thus, it cannot explain the observed differences between our theoretical description and the experimental observations. Nevertheless, our new calculations have demonstrated that spin-orbit coupling does play a pivotal role for the magnetic behavior of LiOsO3, which displays without local spin-orbit coupling a strong tendency towards an antiferromagnetic long-range ordering. Eventually, the inclusion of local spin-orbit coupling in our calculations appears as a crucial ingredient to stabilize the experimentally observed paramagnetic phase.