4d, 5d氧化物界面的第一性原理研究和新氧化物的设计

Transition metal oxides have many intriguing properties, including ferroelectricity/ferromagnetism, colossal magnetoresistance and high-temperature superconductivity. Exotic phenomena can occur at atomically sharp oxide interfaces that do not exhibit in bulk constituents, such as two-dimensional superconductivity and tunable spin-orbit interaction. Recently 4d, 5d transition metal oxides that are less investigated have been synthesized in experiment: they have both correlation effects and spin-orbit couplings. Therefore, more complex phenomena may emerge at their interfaces. We use first-principles calculations to study the phenomena that arise from strong correlation at those interfaces: including metal-insulator transition, transition between magnetism and superconductivity, and evolution of Fermi surface. The project also aims to design new materials that involve 4d, 5d transition metal oxides, predict new physical phenomena and properties as well as strengthen collaboration with experiments. Our research will study the interplay between correlation effects, Hund’s interaction and spin-orbit coupling, paving the way to find a general strategy of designing new complex oxides.

氧化物具有许多奇特的物理性质，包括铁电／铁磁，巨磁阻效应，还有高温超导。在两种氧化物形成的光滑界面上，可以衍生出氧化物本身所不具有的更奇特的物理现象：比如二维超导和可变的自旋轨道耦合作用。最近在实验上合成了一类之前较少研究的氧化物（4d, 5d氧化物）：它们同时具有较强的关联作用和自旋轨道耦合。因此，在它们的界面上会产生出更复杂的物理现象。这类氧化物界面引起了研究者的极大兴趣。我们利用第一性原理方法研究这类氧化物界面上因关联效应而产生的物理现象：包括金属—绝缘体相变，磁性和超导的转变，以及费米面在不同条件下的演化。本项目同时利用第一性原理计算来设计新的包含4d, 5d氧化物的新型材料，并预言新的物理现象和性质，加强与实验的合作。我们的研究将细致分析关联效应、洪特耦合、还有自旋轨道耦合之间的相互作用，从而探索出设计新型氧化物材料的一套具体方案。

氧化物具有许多奇特的物理性质，包括铁电，铁磁，巨磁阻效应，还有高温超导。在氧化物薄膜和氧化物异质结中可以产生在块材中所不具有的更奇特的物理现象。本项目围绕4d, 5d复杂氧化物及其异质结展开，同时比较相关的3d复杂氧化物。项目团队通过第一性原理计算系统研究了一系列有代表性的复杂氧化物和氧化物异质结，1)理论上预言了一系列物理现象：包括一种因为长程磁序而产生的具有轨道选择性的绝缘体-金属相变，掺杂铁电在临界浓度附近的电声子耦合系数的增长；2)解释了一些实验上的重要发现：包括锶钌氧(SrRuO3)薄膜出现的新的具有八重对称性的磁各向异性，和应力对锶钌氧薄膜的反常霍尔电导率的调控；3)结合高通量计算设计具有特殊物理性质的新型复杂氧化物。在项目执行期间，项目负责人以第一作者或者通讯作者一共发表论文13篇（其中综述论文1篇），论文发表在Nature Communications，Science Advances, PNAS等重要国际期刊上。同时，项目负责人组织了一次以“量子材料中的衍生现象”为主题的国际学术会议一次。指导了2名博士后和3名博士研究生。