Physik des Kitaev-Modells jenseits von 4d5 und 5d5 Honigwabengittern: Verständnis des 3d7-3d7 Austauschs und Strategien zur Optimierung von Kitaev-Kopplungen

• Antragsteller: Dr. Liviu Hozoi
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468093414

Magnetische Systeme mit einer geschichteten Honigwabenstruktur stellen ein aktuelles Forschungsthema dar. Die berühmte Kitaev-Spin-Flüssigkeit, ein kollektiver Zustand der Materie, der weitreichende Quantenverschränkung und unkonventionelle fraktionelle Anregungen aufweist, kann in solchen Verbindungen realisiert werden. Dies wird als relevant für Anwendungen im topologischen Quantencomputing gesehen.Als mögliche Plattformen für seine Materialisierung wurden schon früh 5d5- und 4d5-Wabenmaterialen wie Na2IrO3 und RuCl3 aufgezeigt. Es stellt sich jedoch heraus, dass selbst wenn K in Iridaten und Ruthenaten groß ist, zusätzlich restliche isotrope Heisenberg J-Kopplungen vorhanden sind, die dazu neigen die Bildung der Quantenspinflüssigkeit zu behindern.Auf der Suche nach Alternativen wurden in letzter Zeit eine Reihe von 3d7-Kobalt und Nickel-Honigwabenverbindungen in den Vordergrund gerückt. Überlegungen, die auf dem effektiven Modell der Superaustausch-Theorie basieren und zu dem Schluss führen, dass für bestimmte Strukturparameter prinzipiell bessere K/J-Verhältnisse als in 5d5-Iridaten und 5d5-Ruthenaten realisiert werden können, scheinen in den neuesten experimentellen Daten Unterstützung zu finden. In diesem Referenzrahmen wollen wir die zugrundeliegenden elektronischen Wechselwirkungsmechanismen in denjenigen 3d7-Honigwabensystemen, die derzeit von großem Interesse sind, quantitativ und systematisch untersuchen, indem wir fortgeschrittene quantenchemische elektronische Strukturberechnungen anwenden. Hauptaspekte sind: (i) das Verhältnis zwischen Kitaev- und Heisenberg-Wechselwirkungen (K/J) und hiervon ausgehend die Perspektive auf robuste Spinflüssigkeits-Grundzustände, (ii) die Stärke der neben-diagonalen effektiven Austauschkopplungen Siα-Sjβ, (iii) was vergleichbar und was unterschiedlich zwischen den virtuellen Prozessen zweier Gitterplätze in 3d7 t2g5eg2-Honigwabengitter-Oxiden und dem t2g5-t2g5 Superaustausch in wabenförmigen 5d5/4d5-Oxiden/Halogeniden ist, (iv) die Auswirkung der trigonalen Verzerrung des O-Käfigs auf die Stärke der effektiven Wechselwirkungen und die M-O-M-Bindungswinkel, die das K/J-Verhältnis maximieren, (v) wie die weniger gewöhnliche chemische Umgebung neben den M-O2-M-Magnetpfaden (d. h. stark kovalente Pn-O- und Te-O-Bindungen) den Magnetismus beeinflusst. Die Verwendung von Multikonfigurations- und Multireferenzmethoden aus der wellenfunktionsbasierten Quantenchemie wird eine ausgewogene Behandlung auf gleicher theoretischer Basis der konkurrierenden Elektronenkonfigurationen und der verschiedenen Superaustausch-Prozesse ermöglichen. Unsere Studie wird eine Spielwiese für neue Einblicke in die korrelierte elektronische Struktur dieser Materialien setzen und eine solide Referenz basierend auf ab initio Daten im Kontext des Kitaev-Heisenberg-Magnetismus in Übergangsmetallverbindungen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen