Электронная структура дырочных центров в CuO₂ плоскостях купратов

Abstract

Результаты теоретического анализа и многочисленные экспериментальные данные указывают на более сложную структуру валентных дырочных состояний в допированных купратах, чем это предполагается в простой модели синглета Жанга–Райса. В действительности мы имеем дело с конкуренцией гибридного Cu 3d–O 2p b₁g ∝ dx₂⁻y₂ -состояния и чисто кислородных несвязывающих состояний с a₂g- и eux,y ∝ px,y -симметрией. Соответственно этому основное состояние такого не жанг-райсовского CuO⁵⁻₄ центра как кластерного аналога иона Cu³⁺ должно описываться сложным ¹A₁g−¹,³B₂g−¹,³ Eu мультиплетом с набором зарядовых, орбитальных и спиновых параметров порядка как достаточно известных (например, спиновый момент или «ферромагнитный» изинговский орбитальный момент, локализованный на ионах кислорода), так и необычных, или скрытых (например, «антиферромагнитный» порядок изинговских орбитальных моментов, локализованных на четырех ионах кислорода, или комбинированный спинорбитально-квадрупольный порядок). Не жанг-райсовские CuO⁵⁻₄ центры фактически являются синглеттриплетными псевдо-ян-теллеровскими центрами с сильной вибронной связью с решеткой. Сложная структура основного мультиплета дырочных центров проявляется во многих необычных свойствах допированных купратов, в частности, в псевдощелевой фазе.

Результати теоретичного аналізу та численні експериментальні дані вказують на більш складнішу структуру валентних діркових станів у допованих купратах, чим це передбачається в простій моделі синглету Жанга–Райса. У дійсності ми маємо справу з конкуренцією гібридного Cu 3d–O 2p b₁g ∝ dx₂⁻y₂ -стану та чисто кисневих незв'язуючих станів з a₂g- і eux,y ∝ px,y -симетрією. Відповідно до цього основний стан такого ні жанг-райсівського CuO⁵⁻₄ центру як кластерного аналога іона Cu³⁺ повинен описуватися складним ¹A₁g−¹,³B₂g−¹,³ Eu мультиплетом з набором зарядових, орбітальних та спінових параметрів порядку як достатньо відомих (наприклад, спіновий момент або «феромагнітний» ізінгівський орбітальний момент, який локалізован на іонах кисню), так і незвичайних, або схованих (наприклад, «антиферомагнітний» порядок ізінгівських орбітальних моментів, які локалізовані на чотирьох іонах кисню, або комбінований спінорбітально-квадрупольний порядок). Ні жанг-райсівські CuO⁵⁻₄ центри фактично є синглет-триплетними псевдо-ян-теллєрівськими центрами з сильним вібронним зв'язком з граткою. Складна структура основного мультиплету діркових центрів проявляється в багатьох незвичайних властивостях допованих купратів, зокрема, у псевдощілинної фазі.

Both theoretical considerations and numerous experimental data point to a more complicated nature of the valence hole states in doped cuprates than it is predicted by the simple Zhang–Rice model. Actually we deal with the competition of conventional hybrid Cu 3d–O 2p b₁g ∝ dx₂⁻y₂ -state and purely oxygen nonbonding state with a₂g- and eux,y ∝ px,y -symmetry. Accordingly, the ground state of such a non Zhang–Rice hole center CuO⁵⁻₄ as a cluster analog of Cu³⁺ ion should be described by a complex ¹A₁g−¹,³B₂g−¹,³ Eu multiplet with several competing charge, orbital, and spin order parameters, like conventional ones (e.g., spin moment or Ising-like orbital magnetic moment) and unconventional, or hidden ones (e.g., intra-plaquette's staggered order of Ising-like oxygen orbital magnetic moment or combined spin-quadrupole ordering). The non Zhang–Rice hole CuO⁵⁻₄ centers should be considered as singlet-triplet pseudo-Jahn-Teller centers prone to strong vibronic coupling. The complex non Zhang–Rice structure of the ground state multiplet of hole centers manifests itself in many unconventional properties of doped cuprates, in particular, in a pseudo-gap regime.