Quasi-2D-Spin-Peierls-Übergang durch interstitielle anionische Elektronen in K(NH₃)₂

In einem Papier veröffentlicht In Wissenschaftsbulletin, sagt ein chinesisches Wissenschaftlerteam ein neuartiges Elektrid K(NH3)2 voraus, dessen interstitielle Elektronen in Käfigen verteilt sind, die aus sechs Ammoniakmolekülen bestehen und ein quasi-2D-Dreiecksgitter bilden. Sie haben herausgefunden, dass dieses Material unter moderaten Drücken einen Spin-Peierls-Phasenübergang durchläuft.

Diese Studie wurde von Prof. Jian Sun (National Laboratory of Solid State Microstructures, School of Physics and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University) geleitet. Das Team nutzte seine selbst entwickelte Kristallstruktur-Vorhersagesoftware MAGUS und führte First-Principles-Berechnungen durch, um die Kristallstrukturen der Kalium-Ammoniak-Verbindung unter moderaten Drücken zu bestimmen, die bei Umgebungsbedingungen seit langem als Elektrid erkannt wurde.

Elektron-Phonon-Wechselwirkungen und Elektron-Elektron-Korrelationen stellen zwei entscheidende Aspekte der Physik der kondensierten Materie dar. In einem Modellsystem einer halbgefüllten antiferromagnetischen Spin-1/2-Kette kann die durch die Elektron-Kern-Wechselwirkung induzierte Gitterdimerisierung durch Coulomb-Abstoßung vor Ort verstärkt werden, was zu einem Spin-Peierls-Zustand führt. In zwei Dimensionen wurde jedoch nie das tatsächliche Material gefunden, das solche Phänomene zeigt.

Andererseits sind Elektride Materialien, in denen nicht gebundene Elektronen Kristallhohlräume besetzen und anionisches Verhalten (IAE) zeigen. Es ist allgemein bekannt, dass die Korrelationen zwischen spinpolarisierten IAEs und ihrer Kopplung mit benachbarten Kernen weitere interessante Quantenphänomene auslösen könnten.

Bisher gab es jedoch nur sehr wenige Arbeiten, die die Wechselwirkungen zwischen den korrelierten IAEs und Phononen untersuchten. Einer der Hauptgründe ist die große Anzahl von Atomen in organischen Elektriden, in denen die meisten antiferromagnetischen IAEs entstehen.

Das Team stellte fest, dass R-3m K(NH3)2 eine thermodynamische Stabilität bei etwa 2 GPa erreicht, was eine rhomboedrische Grundzelle annimmt, und dass sich die Ammoniakmoleküle auf beiden Seiten der Kaliumschichten befinden.

Einige der Valenzelektronen sind in Zwischenschichthohlräumen verteilt, die von sechs Wasserstoffatomen umgeben sind, und bilden interstitielle anionische Elektronen. Die Bande, die das Fermi-Niveau kreuzt, wird hauptsächlich diesen IAEs zugeschrieben, die als isolierte Einheiten mit verbrückenden Ammoniakmolekülen existieren.

Die Forscher untersuchten auch die Druckeffekte auf die Phonon- und elektronischen Eigenschaften. Die Van-Hove-Singularitäten (VHSs) werden unter höherem Druck auf das Fermi-Niveau gebracht, was die Instabilität vom Peierls-Typ und die dimerisierte Struktur induziert. Diese VHSs tragen auch zu einer stufenförmigen Zustandsdichte bei, verbessern Elektronenkorrelationen und induzieren magnetische Instabilität. Es wurde festgestellt, dass der magnetische Grundzustand ein Antiferromagnetismus vom Zickzack-Typ ist, der durch das Heisenberg-Modell mit modulierten magnetischen Wechselwirkungen der nächsten Nachbarn beschrieben werden kann.

Noch wichtiger ist, dass First-Principles-Berechnungen zeigen, dass magnetische und Peierls-Instabilität nicht nur nebeneinander existieren, sondern auch ein positives Zusammenspiel aufweisen, was ein Szenario eines Spin-Peierls-Übergangs darstellt, das in einem realistischen 2D-Material, insbesondere bei IAEs, beispiellos ist.

„Es ist sehr faszinierend, so viele physikalische Phänomene in einem realistischen Material aufzudecken. Die Wechselwirkungen zwischen korrelierten IAEs und Phononen können Inspirationen für die Erforschung magnetischer Wechselwirkungen, struktureller Verzerrungen und Ladungsdichtewellen liefern“, sagt Jian.