npj: 超高压之下的Fe2O3—在地球内部的性质和演化

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含铁氧化物作为研究Mott转变的模型对象，在地球下地幔和外核的矿物学中起着重要作用。最近，由于它们在高压-高温条件下具有复杂的电子、磁性和晶体结构行为，这些化合物引起了人们极大的兴趣。

众所周知，这些材料在压缩后会表现出磁塌陷，即铁离子从高自旋（High-spin）到低自旋（low-spin）态的交叉，导致其物理性质急剧变化。实际上，它们的体模量、密度和弹性特性的反常行为对于理解地球下地幔和外核的地震观测和动力学过程来说是至关重要的，如解释位于地幔底部400 km处的反常地震行为。地球的地幔，位于所谓的D''区。赤铁矿（α- Fe₂O₃）在高压下的电子和结构特性，是Mott绝缘材料的“经典”实例，对其在基础科学和技术中的应用都特别令人生趣。但其高压特性，如丰富的同分异构行为、释放氧气、出现一系列同系的nFeO-mFe₂O₃氧化物（以白钨矿、FeO和Fe₂O₃为末端成员），以及Fe³⁺在自然和地球下地幔的性质和动力学中的作用等，至今仍不胜寥寥，在地球物理学和地球化学领域，以及现在的材料学领域都引起了众多关注。

现在的这一研究证明，在Mott转变区，电子关联与晶格之间的相互作用会导致Fe₂O₃呈现复杂的电子结构和磁态，增强了Fe₂O₃的结构复杂性，并指出了高温高压下这些亚稳结构的重要性。分别来自俄罗斯M.N. 俄罗斯科学院米赫耶夫金属物理研究所和国立科技大学“MISIS”材料建模与开发实验室的Ivan Leonov和Igor A. Abrikosov教授，利用密度泛函-动态平均场理论（DFT + DMFT）的方法，从微观上解释了在高压下穆斯堡尔光谱中观察到的高自旋（high-spin）态到低自旋（low-spin）态的共存，提出了一类新的Mott系统——具有位置选择性的局部磁矩。这对理解地球下地幔和外核的性质和演化具有重要的影响。这项研究揭示了Fe₂O₃在高压下具有复杂的电子结构和晶体结构（如其复杂的同分异构相和亚稳相），有可能影响现有的地球物理和地球化学模型。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 90 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Charge disproportionation and site-selective local magnetic moments in the post-perovskite-type Fe₂O₃ under ultra-high pressures

Ivan Leonov, Gregory Kh. Rozenberg & Igor A. Abrikosov 

The archetypal 3d Mott insulator hematite, Fe₂O₃, is one of the basic oxide components playing an important role in mineralogy of Earth’s lower mantle. Its high pressure–temperature behavior, such as the electronic properties, equation of state, and phase stability is of fundamental importance for understanding the properties and evolution of the Earth’s interior. Here, we study the electronic structure, magnetic state, and lattice stability of Fe₂O₃ at ultra-high pressures using the density functional plus dynamical mean-field theory (DFT + DMFT) approach. In the vicinity of a Mott transition, Fe₂O₃ is found to exhibit a series of complex electronic, magnetic, and structural transformations. In particular, it makes a phase transition to a metal with a post-perovskite crystal structure and site-selective local moments upon compression above 75 GPa. We show that the site-selective phase transition is accompanied by a charge disproportionation of Fe ions, with  Fe^3±δand δ ~ 0.05–0.09, implying a complex interplay between electronic correlations and the lattice. Our results suggest that site-selective local moments in Fe₂O₃ persist up to ultra-high pressures of ~200–250 GPa, i.e., sufficiently above the core–mantle boundary. The latter can have important consequences for understanding of the velocity and density anomalies in the Earth’s lower mantle.

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