Funcționalități emergente și selectivitate orbitală în materiale corelate cu tranziții metal-izolator

Date de identificare a proiectului / Project info

PN-III-P1-1.1-TE-2019-1767, contract de finanțare nr. TE 124/2020 din 18.09.2020, finanțat de către Ministerul Cercetării și Inovării, în cadrul programului PNIII, Programul 1 – Dezvoltarea sistemului de cercetare-dezvoltare , Subprogramul 1.1 Resurse Umane, Tip Proiect – Proiecte de cercetare pentru stimularea tinerelor echipe independente

Durata de desfășurare a proiectului / Project duration
Data începerii contractului/Beginning of the contract                 15/09/2020
Data încheierii contractului/End of the contract                          30/11/2022

Buget / Budget : 431.900,00 RON (~88690 EURO)

Domeniu / Field :
PE3_8 - Magnetism and strongly correlated systems
PE3_4 - Electronic properties of materials, surfaces, interfaces, nanostructures, etc.

Rezumatul proiectului/ Summary

Rezumatul proiectului:
Acest proiect presupune un efort bazat pe calcule teoretice numerice și măsurători experimentale menit să aprofundeze înțelegerea noastră asupra tranzițiilor metal-izolator în materiale corelate cu structură cristalină pe bază de materiale perovschite. Ne interesează in mod special rolul jucat de către stări noi ale materiei, cum ar fi cele cu selectivitate orbitală-Mott (definite ca și coexistența orbitalilor metalici și izolatori-Mott în aceeași stare electronică), asupra cuplajului electronic-structural, în funcție de temperatură în cursul unei tranziții metal-izolator. De asemenea, suntem interesați și de efectele dopajului cu goluri asupra stărilor cu selectivitate orbitală și asupra cuplajului electronic-structural. Proiectul este bazat pe sinergia metodelor ab-initio de ultimă generație și a tehnicilor de împrăștiere de raze X și neutroni împreună cu măsurători fizice. Acest studiu este posibil datorită integrării recente a forțelor pentru relaxare structurală, în teoria funcțională de densității împreună cu teoria dinamică a câmpului mediu (DFT+eDMFT). Pe baza vastei experienței a echipei de cercetare in ceea ce privește puterea predictivă cantitativă a metodei DFT+eDMFT, materiale cu structuri cristaline perovskite vor fi selectate, pentru a găsi candidați cu proprietăți favorabile, care vor deveni subiectele unui studiu teoretic și experimental aprofundat. Obiectivele specifice de cercetare ale proiectului includ (I) o mai bună înțelegere a mecanismelor responsabile pentru tranziția metal- izolator Mott, (II) găsirea unor noi stări emergente caracterizate prin coexistența orbitalilor izolatori, semi-metalici și metalici, (III) înțelegerea efectelor dopajului și predicția unor noi tranziții de fază, (IV) validarea experimentală a rezultatelor teoretice prin tehnici de împrăștiere și măsurători fizice. Scopul acestor studii este de a obține proprietăți îmbunătățite și de a proiecta noi materiale multifuncționale pentru aplicații în dispozitivele de memorie.

Summary: This project involves a hybrid computational and experimental research effort in order to advance our current understanding of metal to insulator transitions in correlated materials with perovskite crystal structures. In particular, we are interested in the role played by novel states of matter such as Mott orbital-selective states (defined as the coexistence of metallic and Mott insulating orbitals within the same electronic state), to the finite temperature electronic-structural interplay across the Mott metal to insulator transition. In addition, we are also interested in the effects of hole doping on the orbital selective states and the electronic-structural interplay. The project is built upon the synergy of the state-of-the-art ab-initio methods and x-ray and neutron scattering techniques together with physical measurements. This study is possible due to the recent integration of forces for structural relaxation, in the Density Functional Theory with Embedded Dynamical Mean Field Theory (DFT+eDMFT). Based on the extensive experience of the team with the quantitative predictive power of the DFT+eDMFT method, materials with perovskite crystal structures will be screened, in order to find candidates with desirable properties that will become targets for in-depth theoretical and experimental study. The specific research objectives of the project include (I) a better understanding of the mechanisms responsible for the Mott metal to insulator transition, (II) finding emergent novel states characterized by the coexistence of insulating, semi-metallic and metallic orbitals, (III) understanding the effects of doping and predicting new phase transitions, (IV) experimental validation of the theoretical results by scattering techniques and physical measurements. The purpose of these studies is to achieve improved properties and design new multifunctional materials for applications in memory devices.

Obiective / Objectives

Scopul principal al acestei propuneri de cercetare este studiul interacțiunii dintre gradele de libertate electronice si structurale (ESI) în cazul tranzițiilor Mott metal-izolator (MIT) și a stărilor noi de materie cu selectivitate orbitală, folosind cele mai recente progrese în metodele teoretice. În plus, in cadrul acestui proiect ne propunem, de asemenea, să stabilim puterile predictive ale metodei DFT + eDMFT pentru ESI la temperatură finită, care ar putea deschide o nouă cale în domeniul științei materialelor.

The main goal of this research proposal is to study the interplay between electronic and structural degrees of freedom (ESI) in Mott metal-insulator transitions (MIT) and new states of matter with orbital selectivity, using the latest advances in theoretical methods. In addition, in this project we also aim to establish the predictive powers of the DFT + eDMFT method for finite temperature ESI, which could open a new path in the field of materials science.

Descriere proiect/ Project description

Macroscopic properties of materials that are used in technological applications are usually related to the microscopic properties of these materials, such as the relative arrangements of the atoms inside that material (its crystal structure) and their implications to the electronic and magnetic properties. For example, below we show two crystal structures for the RPdSb materials and their related electronic properties such as the band structures and Fermi surfaces. Having theoretical tools to predict the electronic properties based on the corresponding crystal structure or the opposite to predict the crystal structure knowing the electronic structure is of great advantage to the study of materials.





Idei demonstrate în acest proiect / Ideas demonstrated in this project:

I. Metoda modernă DFT+embedded DMFT (eDMFT) are puteri predictive pentru cuplarea electronică-structurală în materiale corelate, în special în cazul stărilor cu selectivitate orbitală care nu pot fi descrise prin alte metode numerice la temperaturi finite. Folosind cazul CaFeO3, am arătat că metoda eDMFT poate descrie corect simultan atât tranziția metal-izolator, cât și structura cristalografică. În același timp am găsit corespondența dintre caracterul orbital și dispunerea ionilor din prima vecinătate a atomului cu electroni corelați. Folosind cazul BiMnO3, care arată o stare electronică complexă și selectivitate orbitală, am arătat că metoda eDMFT poate descrie simultan corect tranziția de fază de ordonare orbitală și structura cristalografică la temperaturi finite. Metoda eDMFT surprinde, de asemenea, corect tranziția metal-izolator la temperaturi ridicate.
Puterea predictivă a metodei eDMFT pentru cuplarea electronic-structurală la temperaturi finite a fost testată și validată și în alți compuși studiați în acest proiect.

State of the art DFT+embedded DMFT (eDMFT) method has predictive powers for the electronic -structural coupling in correlated materials, especially for the case of states with orbital selectivity that cannot be described by other numerical methods at finite temperatures. Using the case of CaFeO3, we showed that the eDMFT method can correctly describe simultaneously both the metal-insulator transition and the crystallographic structure. At the same time, we found the correspondence between the orbital character and the arrangement of the ions in the first neighbourhood of the atom with correlated electrons. Using the case of BiMnO3, which shows a complex electronic state site and orbital selectivity, we showed that the eDMFT method can simultaneously correctly describe the orbital ordering phase transition and the crystallographic structure at finite temperatures. eDMFT method also captures correctly the high temperature metal-insulator transition at high temperatures.
The predictive power of the eDMFT method for the electronic-structural coupling at finite temperatures was tested and validated in other compounds studied in this project.

II. Folosind metoda modern ă eDMFT, am arătat pentru prima dată că efectul Kondo poate exista și într-un material izolator (de obicei, efectul Kondo apare în materialele metalice în care momentele magnetice localizate sunt ecranate de electroni liberi la o temperatură critică). Predicția noastră privind starea Kondo în interiorul unui material izolator cu selectivitate orbitală (definită în acest caz ca prezența orbitalilor izolatori Mott și izolatori de banda care provin de la același atom) a fost validată prin măsurători optice.

Using the state of the art eDMFT method we showed for the first time that Kondo effect can also exist in an insulating material (usually Kondo effect appears in metallic materials where localized magnetic moments are screened by free electrons at some critical temperature). Our prediction of  Kondo state inside an insulating material with orbital selectivity (defined in this case as the presence of insulating orbitals Mott and band originating from the same atom) was validated by optical measurements.

III. Folosind metoda moderna eDMFT, am construit o diagramă de fază detaliată temperatura - corelație pentru materialele RNiO2, în care a fost descoperită recent supraconductibilitatea. Studiul nostru propune pentru prima dată că starea de bază la temperatură scăzută este legată de „Nozieres Exhaustion Principle”. Predicțiile noastre teoretice sunt validate prin măsurători de susceptibilitate magnetică și difracție neutronică, deja existente în literatură.

Using the state of the art eDMFT we constructed a detailed Temperature – Correlations phase diagram for RNiO2 materials, where superconductivity was rencelty discovered. Our study proposes for the first time that the low temperature ground state is related to the "Nozieres Exhaustion Principle". Our theoretical predictions are validated by magnetic susceptibility and neutron diffraction measurements, already existing in the literature.

IV. Folosind metoda moderna eDMFT în combinație cu împrăștierea difuză cu raze X și neutroni, am arătat că putem rezolva structura cristalografică a materialelor pentru cazurile în care metodele standard de difracție cu raze X sau neutroni nu sunt eficiente. Acest lucru a fost demonstrat folosind ca exemplu materiale din clasa RPdSb, unde R = La sau Ce. În aceeași clasă de materiale, am arătat existența unui cuplaj electronic-structural complex cu influențe asupra suprafeței Fermi, deci indirect asupra proprietăților electronice la temperaturi finite. De asemenea, în cadrul acestui proiect, am arătat că metoda eDMFT explică foarte bine proprietățile electronice ale materialelor cu electroni f, lucru unde alte metode au câteva limitări.

Using the state of the art eDMFT in combination with X-ray and neutron diffuse scattering, we have shown that we can solve the crystallographic structure of materials for the cases where standard X-ray or neutron diffraction methods are not effective. This was demonstrated using as example materials from the RPdSb class, where R = La or Ce. In the same class of materials, we showed the existence of a complex electronic-structural coupling with influences on the Fermi surface, thus indirectly on the electronic properties at finite temperatures. Also, within this project, we showed that the eDMFT method explains very well the electronic properties of materials with f electrons, something where other methods have several limitations.

Impactul rezultatelor obținute în acest proiect / Impact of the results obtained in this project:

I. Demonstrarea puterii predictive a metodei DFT+embedded DMFT (eDMFT), pentru cuplarea electronic-structurală la temperaturi finite în materiale corelate, deschide noi direcții în studiul materialelor corelate la temperaturi finite. Această metodă poate fi utilizată pentru studiul teoretic al proprietăților electronice, magnetice și structurale. Poate fi folosită și pentru a studia mecanismele tranzițiilor de fază in funcție de temperatură/presiune, înlocuirea atomilor și dopajul cu electroni sau găuri pentru materialele care au electroni de tip d și f. Metodele teoretice cu putere predictivă, precum metoda eDMFT, reprezintă un avantaj enorm în domeniile cercetării materialelor. Considerăm că acesta este cel mai important rezultat obținut în acest proiect, cu implicații majore pentru studiul materialelor corelate la temperaturi finite.

Demonstrating the predictive power of the DFT+embedded DMFT (eDMFT) method, for electronic-structural coupling at finite temperatures in correlated materials, opens new directions in the study of correlated materials at finite temperatures. This method can be used for the theoretical study of electronic, magnetic and structural properties. It can also be used to study the mechanisms of phase transitions versus temperature/pressure, substitution of atoms and doping with electrons or holes for materials that have electrons of type d and f. Theoretical methods with predictive power, such as the eDMFT method, are an enormous advantage in the fields of material research. We consider this to be the most important result obtained in this project, with major implications for the study of correlated materials at finite temperatures.

II. Demonstrând că împrăștierea difuză a razelor X sau neutronilor combinată cu metode teoretice poate fi utilizată pentru a rezolva structurile cristalografice, acolo unde metodele clasice eșuează, deschide noi direcții în studiul structurilor cristalografice ale materialelor anorganice. În plus, împrăștierea difuză împreună cu metodele teoretice pot oferi informații despre vibrațiile rețelelor cristaline din materialele anorganice. Studiile teoretice ale vibrațiilor rețelei cristaline au fost inițiate în cadrul acestui proiect cu scopul de a le combina cu metode de împrăștiere difuză. Dezvoltarea acestor metode bazate pe experiment și teorie poate deschide noi direcții de cercetare în materiale. De exemplu, folosind metode teoretice pentru a calcula atât cuplarea electronică-structurală, cât și vibrațiile rețelei în funcție de temperatură/presiune, putem înțelege mai profund mecanismul tranzițiilor de fază (dacă acestea se datorează gradelor de libertate electronice sau ale vibraților rețelei).

Demonstrating that diffuse scattering of X-rays or neutrons combined with theoretical methods can be used to solve crystallographic structures, where classical methods fail, opens new directions in the study of crystallographic structures of inorganic materials. In addition, diffuse scattering together with theoretical methods can provide information about the vibrations of crystal lattices in inorganic materials. Theoretical studies of crystal lattice vibrations were initiated within this project with the aim of combining them with diffuse scattering methods. The development of these methods based on experiment and theory can open new reaserch directions in materials. For example, using theoretical methods to compute both electronic-structural coupling and lattice vibrations versus temperature/presure, we can understand more deeply the mechanism of phase transitions (if they are due to electronic or lattice degrees of freedom).

III. Diagrama de fază temperatură – corelații pentru materialele RNiO2 poate consolida cercetarea în cazul materialelor supraconductoare. Descoperirea recentă a supraconductivității în RNiO2 a stârnit din nou interesul pentru materialele supraconductoare cu temperaturi ridicate. Lucrarea noastră propune, pentru prima dată, că „Nozieres Exhaustion Principle” este relevant pentru starea de bază la temperaturi scăzute, unde supraconductibilitatea poate fi indusă prin dopare cu goluri. Direcțiile de cercetare care ar putea fi inspirate din munca noastră, ar avea de-a face cu efectele dopajului asupra diagramei de fază, cu accent pe „Nozieres Exhaustion Principle” și implicit pe mecanismele de supraconductivitate în clasa de materiale RNiO2.

Temperature – Correlations phase diagram for the RNiO2 materials can reinforce the research in the case of superconducting materials. The recent discovery of superconductivity in RNiO2 has restarted the interest in superconducting materials with high temperatures. Our work proposes, for the first time, that "Nozieres Exhaustion Principle" is relevant to the low temperatures ground state, where superconductivity can be induced by doping with holes. The research directions that could be inspired by our work,  would have to do with the effects of doping on the phase diagram, with an emphasis on the "Nozieres Exhaustion Principle" and implicitly on the mechanisms of superconductivity in the RNiO2 class of materials.

IV. Descoperirea stării Kondo într-un material izolator care are orbitali  cu character Mott și de bandă în același timp, deschide noi direcții pentru cercetarea fundamentală. Este interesant de studiat dacă această stare Kondo apare în alte materiale izolatoare sau doar în materiale izolatoare care au selectivitate orbitală cu character Mott și de bandă.

Discovery of the Kondo state in an insulating material that has Mott and band orbitals at the same time, opens new directions for fundamental research. It is interesting to study if this Kondo state appears in other insulating materials or only in insulating materials that have Mott + band orbital selectivity.

Echipa de cercetare / Research Team

Gheorghe Lucian Pascut

Lucian-Mihai Cosovanu
Faculty of Electrical Engineering and Computer Science & MANSiD Research Center
Andrei Diaconu
Faculty of Electrical Engineering and Computer Science & MANSiD Research Center
Maria Poienar
MANSiD Research Center

Rezultate / Results

Secțiunea de rezultate reunește livrabilele activităților de cercetare din cadrul proiectului.
The results section brings together the deliverables of the research activities within the project.

Articole in recenzie/Articles in review

1: Gheorghe Lucian Pascut, Lucian Cosovanu, Kristjan Haule, Khandker F Quader; Correlation-temperature phase diagram of prototypical infinite layer rare earth nickelates; accepted in Communications Physics - Nature

2: Gheorghe Lucian Pascut, Kristjan Haule; Role of orbital selectivity on crystal structures and electronic states in BiMnO3 and LaMnO3 perovskites; in review with Physical Review B

Articole publicate/Published articles
3: Park, K., Pascut, G. L., Khanal, G., Yokosuk, M. O., Xu, X., Gao, B., ... & Musfeldt, J. L. (2021). Band-Mott mixing hybridizes the gap in Fe2Mo3O8. Physical Review B, 104(19), 195143.

4: Sterkhov, E. V., Chtchelkatchev, N. M., Mostovshchikova, E. V., Ryltsev, R. E., Uporov, S. A., Pascut, G. L., ... & Titova, S. G. (2022). The origin of the structural transition in double-perovskite manganite PrBaMn2O6. Journal of Alloys and Compounds, 892, 162034.

5: Poienar, M.; Gutmann, M.J.; Pascut, G.L.; Petříček, V.; Stenning, G.; Vlazan, P.; Sfirloaga, P.; Paulmann, C.; Tolkiehn, M.; Manuel, P.; Veber, P. Phase Transitions and Physical Properties of the Mixed Valence Iron Phosphate Fe3(PO3OH)4(H2O)4. Materials 2022, 15, 8059. https://doi.org/10.3390/ma15228059

6: Gutmann, M.J.; Pascut, G.L.; Katoh, K.; Zimmermann, M.v.; Refson, K.; Adroja, D.T. New Insights on the Electronic-Structural Interplay in LaPdSb and CePdSb Intermetallic Compounds. Materials 2022, 15, 7678. https://doi.org/10.3390/ma15217678

Prelegeri orale la diverse evenimente (conferințe, seminarii si colocvii)/ Talks at different events (conferences, seminars and colloquiums)

1: Realistic Materials through the lens of embedded dynamical mean field
theory (eDMFT), IBSPCS-APCTP International Workshop Computational Approaches to
Magnetic Systems (CAMS-2022), Daejeon, South Korea.
2: Orbitally selective states in correlated materials, Rensselaer Summer
Program - Advanced Cyberinfrastructure Training for Modeling Physical Systems, Rensselaer
Polytechnic Institute, NY, USA – 2022.
3: Is Nozieres Exhaustion Principle playing a role in the physics of the
nickelate superconductors?, APS March Meeting 2022.
4: Novel States of Matter in Correlated Materials and their Experimental
Correspondence, Invited colloquium talk at Physics Colloquium Spring , Kent State University,
USA – 2022.
5: Electronic-structural interplay in correlated materials with site- and
orbital- selective Mott states: an embedded dynamical mean field theory perspective, APS March
Meeting 2021.
6: Orbital selectivity and its consequences on the local environment: the
case of metal-insulator transition in CaFeO 3 , Workshop on the theory of condensed quantum
matter Correlations in Novel Quantum Materials 2021, Stuttgart, Germany.
7: Applications of embedded dynamical mean field theory (eDMFT) to study
materials: an experimentalist perspective, University of Kent, UK.
8: Phase transition and magnetism in Fe-P-O-H based synthetic mineral,
APS March Meeting 2021.
9: Orbital Moment enhanced novel giant magnetoelectric of Fe 2 Mo 3 O 8 ,
APS March Meeting 2021.
10: Temperature - Correlation Phase Diagram for LaNiO 2 : an eDMFT
perspective, APS March Meeting 2021.

Contact

Gheorghe Lucian Pascut
MANSiD Research Center and Faculty of Forestry,
Stefan Cel Mare University (USV),
13 University Rd, Suceava 720229, Romania
glucian.pascut@usm.ro

• © Facultatea de Silvicultura Suceava
  EFOSMIT - Funcționalități emergente și selectivitate orbitală în materiale corelate cu tranziții metal-izolator