metal-insulator transitions
TRANSCRIPT
Metal-insulator transitions
What can we learn from electronic structure calculations?
Mike Towler
www.tcm.phy.cam.ac.uk/∼mdt26
Theory of Condensed Matter GroupCavendish Laboratory
University of Cambridge
1
Metal-insulator transitions
What is an insulator?
Metal-insulator transitions
What is an insulator?
• Phenomenological
- Has vanishing electrical conductivity in a (weak) static electrical fieldat 0K.
Metal-insulator transitions
What is an insulator?
• Phenomenological
- Has vanishing electrical conductivity in a (weak) static electrical fieldat 0K.
- Supports bulk macroscopic polarization (pure ground state property!).
Metal-insulator transitions
What is an insulator?
• Phenomenological
- Has vanishing electrical conductivity in a (weak) static electrical fieldat 0K.
- Supports bulk macroscopic polarization (pure ground state property!).
• Band theory (‘one-electron wave functions’)
Fermi level lies within a band gap rather than within a band.
Metal-insulator transitions
What is an insulator?
• Phenomenological
- Has vanishing electrical conductivity in a (weak) static electrical fieldat 0K.
- Supports bulk macroscopic polarization (pure ground state property!).
• Band theory (‘one-electron wave functions’)
Fermi level lies within a band gap rather than within a band.
• Quantum Monte Carlo (‘many-electron wave functions’)
Thought required.. [What about Kohn theory (1964) and modernreinterpretations?]
Metal-insulator transitions
What is an insulator?
• Phenomenological
- Has vanishing electrical conductivity in a (weak) static electrical fieldat 0K.
- Supports bulk macroscopic polarization (pure ground state property!).
• Band theory (‘one-electron wave functions’)
Fermi level lies within a band gap rather than within a band.
• Quantum Monte Carlo (‘many-electron wave functions’)
Thought required.. [What about Kohn theory (1964) and modernreinterpretations?]
Associated questions
Metal-insulator transitions
What is an insulator?
• Phenomenological
- Has vanishing electrical conductivity in a (weak) static electrical fieldat 0K.
- Supports bulk macroscopic polarization (pure ground state property!).
• Band theory (‘one-electron wave functions’)
Fermi level lies within a band gap rather than within a band.
• Quantum Monte Carlo (‘many-electron wave functions’)
Thought required.. [What about Kohn theory (1964) and modernreinterpretations?]
Associated questions
• What is meant by localized/delocalized electrons?
Metal-insulator transitions
What is an insulator?
• Phenomenological
- Has vanishing electrical conductivity in a (weak) static electrical fieldat 0K.
- Supports bulk macroscopic polarization (pure ground state property!).
• Band theory (‘one-electron wave functions’)
Fermi level lies within a band gap rather than within a band.
• Quantum Monte Carlo (‘many-electron wave functions’)
Thought required.. [What about Kohn theory (1964) and modernreinterpretations?]
Associated questions
• What is meant by localized/delocalized electrons?
• What are strongly correlated electrons?
2
Connections
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
DFT and Hartree Fockcalculations Quantum Monte Carlo
calculations.
True many−body wave functions.
insulators)(MDT work on magnetic
New experimental
Mossbauer spectroscopy.. )(diamond anvil cells,
Modern theory of
’strongly−correlated
Metal−insulator transitions from the
viewpoint of the
electrons’ community.
(Resta et al.)
polarization/localization
PROJECT?
RESEARCH
INTERESTING
techniques
3
Books
• Metal-insulator Transitions 2nd edition, N. Mott (Taylor-Francis 1990)
• The Mott Metal-insulator Transition : Models and Methods, F.Gebhard(Springer, 1997)
Books
• Metal-insulator Transitions 2nd edition, N. Mott (Taylor-Francis 1990)
• The Mott Metal-insulator Transition : Models and Methods, F.Gebhard(Springer, 1997)
GEBHARD IS GOSPEL
i.e. for the purposes of this talk, Gebhard is taken to represent the‘strongly-correlated electron’ viewpoint, which we will attempt tounderstand and interpret in terms more familiar to practitioners of
computational electronic structure theory.
4
Two fundamental requirements for electron transport
Two fundamental requirements for electron transport
• Quantum-mechanical states for electron-hole excitations must beavailable at energies immediately above the energy of the ground statesince the external field provides vanishingly small energy (ω −→ 0)
• These excitations must describe delocalized charges that can contributeto transport over the macroscopical sample size.
5
Scenarios for gap formation
Scenarios for gap formation
• Quantum phase transition
Gap opens as a consequence of the competition between the carriers’kinetic and interaction energy.
=⇒ ”robust gap” (doesn’t disappear at high T )
• Thermodynamic phase transitions
Gap opens as a consequence of the formation of long-range order(symmetry breaking) at some finite temperature.
=⇒ ”soft gap” (disappears at high T )
6
Gebhard classification of insulators
Specify four basic classes of insulator, based on dominant interaction thatcauses the insulating behaviour.
Gebhard classification of insulators
Specify four basic classes of insulator, based on dominant interaction thatcauses the insulating behaviour.
Electron-ion interaction
Gebhard classification of insulators
Specify four basic classes of insulator, based on dominant interaction thatcauses the insulating behaviour.
Electron-ion interaction
• Band insulators due to the electrons’ interaction with the periodicpotential of the ions.
Gebhard classification of insulators
Specify four basic classes of insulator, based on dominant interaction thatcauses the insulating behaviour.
Electron-ion interaction
• Band insulators due to the electrons’ interaction with the periodicpotential of the ions.
• Peierls insulators due to the electrons’ interaction with static latticedeformations.
Gebhard classification of insulators
Specify four basic classes of insulator, based on dominant interaction thatcauses the insulating behaviour.
Electron-ion interaction
• Band insulators due to the electrons’ interaction with the periodicpotential of the ions.
• Peierls insulators due to the electrons’ interaction with static latticedeformations.
• Anderson insulators due to the presence of disorder.
Gebhard classification of insulators
Specify four basic classes of insulator, based on dominant interaction thatcauses the insulating behaviour.
Electron-ion interaction
• Band insulators due to the electrons’ interaction with the periodicpotential of the ions.
• Peierls insulators due to the electrons’ interaction with static latticedeformations.
• Anderson insulators due to the presence of disorder.
Electron-electron interaction
Gebhard classification of insulators
Specify four basic classes of insulator, based on dominant interaction thatcauses the insulating behaviour.
Electron-ion interaction
• Band insulators due to the electrons’ interaction with the periodicpotential of the ions.
• Peierls insulators due to the electrons’ interaction with static latticedeformations.
• Anderson insulators due to the presence of disorder.
Electron-electron interaction
• Mott insulators due to the electrons’ interaction with each other.
7
Gebhard on band theory
”For a band insulator the interaction between electrons and the periodicion potential gives rise to an energy gap between the lowest conductionband and the highest valence band. Consequently there are no free carriersfor the transport of charge. A band insulator is possible only for an evennumber of valence electrons per lattice unit cell”.
Gebhard on band theory
”For a band insulator the interaction between electrons and the periodicion potential gives rise to an energy gap between the lowest conductionband and the highest valence band. Consequently there are no free carriersfor the transport of charge. A band insulator is possible only for an evennumber of valence electrons per lattice unit cell”.
Assumptions
• ”electron-electron interaction neglected or treated within effectivesingle-electron approximation”
• ”For simplicity we neglect spin-orbit coupling. As a good approximationeach band is then two-fold spin degenerate i.e. each band may be occupiedwith two electrons per k point.”
=⇒ completely filled bands cannot contribute to transport (since for eachstate with crystal momentum k the state with momentum −k is alsooccupied so that both contributions to transport cancel).
8
Band insulatorsImpose periodic boundary conditions : the one-electron wave functions arethen Bloch functions.
Bloch functions obey BLOCH’S THEOREM:
Ψnk(r) = eik·runk(r) or Ψ(r + t) = Ψ(r)eik·t
Count states in each energy range, and classify:
Increasing pressure (for example) will change shape of bands and may leadto metal-insulator transitions of various sorts. 9
What is a Mott insulator?Gebhard• ”For a Mott insulator the electron-electron interaction leads to theoccurence of local moments. The gap in the excitation spectrum forcharge excitations may arise from the long-range order of the pre-formedmoments (Mott-Heisenberg insulator) or by a quantum phase transitioninduced by charge and/or spin correlations (Mott-Hubbard insulator)”
• ”Mott insulating behaviour is understood as a cooperative many-electronphenomenon.. [It] cannot be understood within the framework of asingle-electron theory - many-body effects must be included.”
• ”..materials in which electron-electron interactions [are so] importantthat a naive band structure approach will no longer be appropriate”
What is a Mott insulator?Gebhard• ”For a Mott insulator the electron-electron interaction leads to theoccurence of local moments. The gap in the excitation spectrum forcharge excitations may arise from the long-range order of the pre-formedmoments (Mott-Heisenberg insulator) or by a quantum phase transitioninduced by charge and/or spin correlations (Mott-Hubbard insulator)”
• ”Mott insulating behaviour is understood as a cooperative many-electronphenomenon.. [It] cannot be understood within the framework of asingle-electron theory - many-body effects must be included.”
• ”..materials in which electron-electron interactions [are so] importantthat a naive band structure approach will no longer be appropriate”
Mott• ”..a material that would be a metal if no moments were formed....depends on the existence of moments and not on whether or not theyare ordered”
What is a Mott insulator?Gebhard• ”For a Mott insulator the electron-electron interaction leads to theoccurence of local moments. The gap in the excitation spectrum forcharge excitations may arise from the long-range order of the pre-formedmoments (Mott-Heisenberg insulator) or by a quantum phase transitioninduced by charge and/or spin correlations (Mott-Hubbard insulator)”
• ”Mott insulating behaviour is understood as a cooperative many-electronphenomenon.. [It] cannot be understood within the framework of asingle-electron theory - many-body effects must be included.”
• ”..materials in which electron-electron interactions [are so] importantthat a naive band structure approach will no longer be appropriate”
Mott• ”..a material that would be a metal if no moments were formed....depends on the existence of moments and not on whether or not theyare ordered”
Pasternak (an experimentalist)• ”In this [W > U ] regime, the d-electron correlation collapses, giving riseto an insulator-metal transition concurrent with a magnetic momentbreakdown. This phenomenon is called the Mott transition”.
10
Anderson insulators
11
Linear chain of hydrogen atoms
”Consider a linear chain of hydrogen atoms with a lattice constant of 1 A.This has one electron per atom in the conduction band and is thereforemetallic. Imagine we now dilate the lattice parameter of the crystal to 1metre. We would agree that at some point in this dilation process thecrystal must become an insulator because certainly when the atoms are 1metre apart they are not interacting. But band theory says that the crystalremains a metal because at all dilations the energy difference betweenoccupied and unoccupied states remains vanishingly small. Now look atthis thought experiment from the other way. Why is the crystal with alattice parameter of 1 metre an insulator? Because to transfer an electronfrom one atom to another we have to supply an ionization energy, I toremove the electron and then we recover the electron affinity, A, when weadd the electron to the neutral H atom. The energy cost in this process isU = I −A. Band theory ignores terms such as these.” [Sutton’s book]
Hubbard model
H =∑
i,j tijaiσajσ + U∑
i ni↑ni↓12
DFT treatment of linear hydrogen chain
Examine linear chain of H atoms in band theory
• Genuine 1-dimensional periodic boundary conditions
• High quality local (Gaussian) basis set centred on the H atoms.
Properties of isolated H atom computed with this basis
Calculated ExactTotal energy (HF) -0.499993 Ha -0.5 HaVirial coefficient 1.00007 1Hyperfine coupling constant 1419.3 MHz 1420 MHz
13
Band theory of linear hydrogen chain
0 2 4 6 8 10
Lattice spacing (Å)
-0.56
-0.54
-0.52
-0.5
-0.48
-0.46
Tot
al e
nerg
y (a
.u.)
(DFT band calculations with LDA exchange-correlation functional)
Metallic at all dilations
1 atom per cell
Band theory of linear hydrogen chain
0 2 4 6 8 10
Lattice spacing (Å)
-0.56
-0.54
-0.52
-0.5
-0.48
-0.46
Tot
al e
nerg
y (a
.u.)
(DFT band calculations with LDA exchange-correlation functional)
Metallic at all dilations
1 atom per cell
-0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0
ENERGY (HARTREE)
0
50
100
150
200
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
(S
TA
TE
S/H
AR
TR
EE
/CE
LL)
a = 3Å
14
Correlated electron systems”Strong Coulomb interactions” : actually statement about pair correlationfunction.
↑‘TRUE MANY-BODY EFFECTS’ HERE
correlated electron system - ”non-vanishing pair correlation functionbetween ↑- and ↓-electrons”strongly-correlated system - ”pair correlation functions for electrons ofsame spin and electrons of opposite spin are comparable in size
Correlated electron systems”Strong Coulomb interactions” : actually statement about pair correlationfunction.
↑‘TRUE MANY-BODY EFFECTS’ HERE
correlated electron system - ”non-vanishing pair correlation functionbetween ↑- and ↓-electrons”strongly-correlated system - ”pair correlation functions for electrons ofsame spin and electrons of opposite spin are comparable in size”
So to describe strong-correlations just need to make the wave functionflexible enough for ↑- and ↓-electrons to avoid each other?
15
Spin polarizationNeed single determinants of one-electron spin orbitals!
• Restricted form All spin orbitals are pure space-spin products of the formφnα or φnβ and are occupied singly or in pairs with a common orbitalfactor φn.• Unrestricted form Spin orbitals no longer occupied in pairs but still purespace-spin products φnα or φnβ. However, now have different spatialfactors φn and φn for different spins.• General unrestricted form No longer restrict to simple product form.Each spin orbital now a 2-component complex spinor orbital:Ψ1 = φα
1α+ φβ1β and Ψ2 = φα
2α+ φβ2β. Non-collinear spins.
Pretty pictures of non-collinear spin states
16
Spin-unrestricted band treatment oflinear hydrogen chain
0 1 2 3 4 5 6
Lattice spacing (Å)
-0.56
-0.55
-0.54
-0.53
-0.52
-0.51
-0.5
-0.49
-0.48
-0.47
-0.46T
otal
ene
rgy
(a.u
.)
ferromagneticspin-unpolarized
(LSDA functional)
METAL INSULATOR
1 atom per cell
17
Band structure of linear hydrogen chain
-π/2a 0 π/2a
k
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
Ene
rgy
(au)
Hydrogen linear chain (a=3 Å)Band structure
18
Spin-unrestricted band treatment oflinear hydrogen chain
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-40
-20
0
20
40
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-40
-20
0
20
40
Hydrogen linear chainDensity of states
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-40
-20
0
20
40
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-40
-20
0
20
40
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-40
-20
0
20
40
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-40
-20
0
20
40
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-40
-20
0
20
40
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
ENERGY (HARTREE)
-40
-20
0
20
40
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0-40
-20
0
20
40
3 Å6 Å 2.5 Å
2.1 Å 2.05 Å 2.02 Å
2.0 Å 1.9 Å 1.5 Å
19
Spin-unrestricted band treatment oflinear hydrogen chain
0 1 2 3 4 5 6
Lattice spacing (Å)
-0.56
-0.54
-0.52
-0.5
-0.48
Tot
al e
nerg
y (a
.u.)
ferromagneticantiferromagnetic
Total energy of a linear chain of hydrogen atoms(spin-unrestricted DFT band calculations with LSDA functional)
METAL INSULATOR
2 atoms per cell
20
Hubbard bands
[Mott book]
Let ψi be the many electron wave function with an extra electron on atomi. A state in which the electron moves with wave number k can bedescribed by the many-electron wave function:
∑
i
eikaiψi
These states form a band of energies - this is called the upper Hubbardband - (a). Similarly, the lower Hubbard band - (b) - represents a band ofstates in which a ‘hole’ can move. Metal-insulator transition occurs whenthese bands overlap.
21
N+1/N-1 system
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
−2U = +
LSDA (eV) UHF (eV) B3LYP (eV)U (as above) 11.44 13.03 12.01U (Band gap) 5.30 11.99 8.56
Should be around 13 eV.
22
N+1 system
0 2 4 6 8 10
Lattice spacing (Å)
-0.56
-0.54
-0.52
-0.5
-0.48
Tot
al e
nerg
y pe
r at
om (
a.u.
)
Total energy of N+1 hydrogen chain10 atoms and 11 electrons per cell (LSDA)
1
356810
Non-magnetic metal
(ferro)magnetic insulator
(ferro)magnetic metal
23
Effect of extra electron on the density of states
-0.55 -0.5 -0.45 -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1
ENERGY (HARTREE)
-1000
0
1000
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
(S
TA
TE
S/H
AR
TR
EE
/CE
LL)
a = 8.5 Å
N case
up spin
down spin
Effect of extra electron on the density of states
-0.55 -0.5 -0.45 -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1
ENERGY (HARTREE)
-1000
0
1000
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
(S
TA
TE
S/H
AR
TR
EE
/CE
LL)
a = 8.5 Å
N case
up spin
down spin
-0.55 -0.5 -0.45 -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1
ENERGY (HARTREE)
-1000
0
1000
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
(S
TA
TE
S/H
AR
TR
EE
/CE
LL)
a = 8.5 ÅN+1 case
up spin
down spin
24
Localization
Insulating state of matter is characterized by gap to low-lying excitations,but also by qualitative features of the ground state - which sustainsmacroscopic polarization and is localized.
Kohn 1964
Localization is a property of the many-electron wave function: insulatingbehaviour arises whenever the ground state wave function of an extendedsystem breaks up into a sum of functions ΨM which are localized inessentially disconnected regions RM of configuration space i.e.
Ψ(x1, . . . ,xN) =+∞∑
M=−∞ΨM(x1, . . . ,xN)
where for a large supercell ΨM and ΨM ′ have an exponentially smalloverlap for M ′ 6= M . Under such a hypothesis, Kohn proved that the dcconductivity vanishes.
Hence, electronic localization in insulators does not occur in real space(charge density) but in configuration space (wave function).
25
Many-body phase operators
• Both macroscopic polarization and electron localization are expectation
values of ‘many-body phase operators’ z(α)N , where
z(x)N = 〈Ψ|ei2π
L
PNi=1 xi|Ψ〉
These quantities are zero for metals!
Many-body phase operators
• Both macroscopic polarization and electron localization are expectation
values of ‘many-body phase operators’ z(α)N , where
z(x)N = 〈Ψ|ei2π
L
PNi=1 xi|Ψ〉
These quantities are zero for metals!
• Ground state expectation value of the position operator in periodicboundary conditions
〈X〉 =L
2πIm ln zN
Many-body phase operators
• Both macroscopic polarization and electron localization are expectation
values of ‘many-body phase operators’ z(α)N , where
z(x)N = 〈Ψ|ei2π
L
PNi=1 xi|Ψ〉
These quantities are zero for metals!
• Ground state expectation value of the position operator in periodicboundary conditions
〈X〉 =L
2πIm ln zN
• Phase of z(α)N used to define the macroscopic polarization of an insulator.
Many-body phase operators
• Both macroscopic polarization and electron localization are expectation
values of ‘many-body phase operators’ z(α)N , where
z(x)N = 〈Ψ|ei2π
L
PNi=1 xi|Ψ〉
These quantities are zero for metals!
• Ground state expectation value of the position operator in periodicboundary conditions
〈X〉 =L
2πIm ln zN
• Phase of z(α)N used to define the macroscopic polarization of an insulator.
• Modulus of z(α)N used to define the localization tensor 〈rαrβ〉 (finite in
insulators, diverges in metals).
26
Interesting connectionsOne-particle density matrix
〈rαrβ〉 =1
2nb
∫
cell
dr∫
allspace
dr′(r− r′)α(r− r′)β|P (r, r′)|2
which is the second moment of the (squared) density matrix in thecoordinate r− r′.
Interesting connectionsOne-particle density matrix
〈rαrβ〉 =1
2nb
∫
cell
dr∫
allspace
dr′(r− r′)α(r− r′)β|P (r, r′)|2
which is the second moment of the (squared) density matrix in thecoordinate r− r′.
Conductivity
〈rαrβ〉 =hVc
2πe2nb
∫ ∞
0
dω
ωReσαβ(ω)
where σαβ is the conductivity tensor. LHS property of ground state, RHSmeasurable property related to electronic excitations =⇒ localizationtensor is a measurable property.
Interesting connectionsOne-particle density matrix
〈rαrβ〉 =1
2nb
∫
cell
dr∫
allspace
dr′(r− r′)α(r− r′)β|P (r, r′)|2
which is the second moment of the (squared) density matrix in thecoordinate r− r′.
Conductivity
〈rαrβ〉 =hVc
2πe2nb
∫ ∞
0
dω
ωReσαβ(ω)
where σαβ is the conductivity tensor. LHS property of ground state, RHSmeasurable property related to electronic excitations =⇒ localizationtensor is a measurable property.
”Nearsightedness”
is the fact that the density matrix P (r− r′) is short range in the variabler− r′. The localization tensor is a measure of this.
27
’Crystal field’ splitting of d orbitals (octahedral coordination)
28
Electronic states in NiO
Interactions:
Parameterize on-site interactions in terms of U and U ′ (Coulombinteractions between electrons in same (U) or different (U ′) d orbitals) andJ (exchange interaction between same spin electrons). Augment with∆CF i.e. crystal-field splitting energy due to neighbours.
On a Ni site in NiO:
↑-spin eg electron feels: 7U ′ − 4J + ∆CF
↑-spin t2g electron feels: U + 6U ′ − 4J↓-spin eg electron feels: U + 7U ′ − 3J + ∆CF
↓-spin t2g electron feels: U + 6U ′ − 2J
Expt: U=5.8eV, J=0.67eV, U’=4.5eV, ∆CF=1.1eV
CF
up spin down spin
eg
t2g
t2g
eg
U−3J+∆ CF
2J
2J−∆29
Compare model with NiO UHF DOS
CF
up spin down spin
eg
t2g
t2g
eg
U−3J+∆ CF
2J
2J−∆
−0.5
−0.2
50
0.25
0.5
0.75
1
EN
ER
GY
rel
ativ
e to
hig
hest
occ
upie
d le
vel (
au)
DENSITY OF STATES
Ni e
g
Ni t
2g
tota
l oxy
gen
up−s
pin
dow
n−sp
in
Ant
iferr
omag
netic
(A
F2)
30
UHF : effect of magnetic ordering
−0.5 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 1
ENERGY relative to highest occupied level (au)
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
Ni eg
Ni t2g
total oxygen
up−spin
down−spin
Antiferromagnetic (AF2)
−0.5 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 1
ENERGY relative to highest occupied level (au)
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
Ni eg
Ni t2g
total oxygen
up−spin
down−spin
Ferromagnetic
31
UHF vs. LDA
−0.5 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 1
ENERGY relative to highest occupied level (au)
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
Ni eg
Ni t2g
total oxygen
up−spin
down−spin
Antiferromagnetic (AF2)
−0.5 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 1
ENERGY relative to highest occupied level (au)
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
Ni t2g
Ni eg
total oxygen
up−spin
down−spin
LSDAAF2
32
UHF vs. GGA
−0.5 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 1
ENERGY relative to highest occupied level (au)
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
Ni t2g
Ni eg
total oxygen
up−spin
down−spin
LSDAAF2
−0.5 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 1
ENERGY relative to highest occupied level (au)
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
Ni t2g
Ni eg
total oxygen
up−spin
down−spin
GGAAF2
33
UHF vs. B3LYP
−0.5 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 1
ENERGY relative to highest occupied level (au)
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
Ni eg
Ni t2g
total oxygen
up−spin
down−spin
Antiferromagnetic (AF2)
−0.5 −0.25 0 0.25 0.5 0.75 1
ENERGY relative to highest occupied level (au)
DE
NS
ITY
OF
ST
AT
ES
Ni t2g
Ni eg
total oxygen
up−spin
down−spin
B3LYPAF2
34
Band gaps with the B3LYP functional
Material Expt. (eV) B3LYP (eV)Si 3.5 3.8Diamond 5.5 5.8GaAs 1.4 1.5ZnO 3.4 3.2Al2O3 9.0 8.5Cr2O3 3.3 3.4MgO 7.8 7.3MnO 3.6 3.8NiO 4.3 3.9TiO2 3.0 3.4FeS2 1.0 2.0ZnS 3.7 3.5
35
Orbital interactions
How do orbitals interact in the Hartree-Fock approximation?
E0 =∑
a 〈a|h|a〉+∑
ab 〈aa ‖ bb〉 − 〈ab ‖ ba〉
Coulomb interaction
〈aa ‖ bb〉 =∫dr1dr2 |φa(r1)|2 1
r12|φb(r2)|2
exchange interaction
〈ab ‖ ba〉 =∫dr1dr2 φ
∗a(r1)φ∗b(r1) 1
r12φb(r2)φa(r2)
36
Self-interaction - Hartree-Fock case
• Label orbitals occupied (a, b, . . .) or virtual (i, j, . . .). What is theexpression for the orbital energy?
Self-interaction - Hartree-Fock case
• Label orbitals occupied (a, b, . . .) or virtual (i, j, . . .). What is theexpression for the orbital energy?
Occupiedεa = 〈φa|h|φa〉+
∑Nb=1(〈φaφa ||φbφb〉 − 〈φaφb ||φbφa〉)
Self-interaction - Hartree-Fock case
• Label orbitals occupied (a, b, . . .) or virtual (i, j, . . .). What is theexpression for the orbital energy?
Occupiedεa = 〈φa|h|φa〉+
∑Nb=1(〈φaφa ||φbφb〉 − 〈φaφb ||φbφa〉)
Virtualεi = 〈φi|h|φi〉+
∑Nb=1(〈φiφi ‖ φbφb〉 − 〈φiφb ‖ φbφi〉)
Self-interaction - Hartree-Fock case
• Label orbitals occupied (a, b, . . .) or virtual (i, j, . . .). What is theexpression for the orbital energy?
Occupiedεa = 〈φa|h|φa〉+
∑Nb=1(〈φaφa ||φbφb〉 − 〈φaφb ||φbφa〉)
Virtualεi = 〈φi|h|φi〉+
∑Nb=1(〈φiφi ‖ φbφb〉 − 〈φiφb ‖ φbφi〉)
• Sum over b is over occupied orbitals only. Therefore for the firstexpression only, one of the terms will cancel when b=a:
〈φaφa ‖ φaφa〉 − 〈φaφa ‖ φaφa〉 = 0
Self-interaction - Hartree-Fock case
• Label orbitals occupied (a, b, . . .) or virtual (i, j, . . .). What is theexpression for the orbital energy?
Occupiedεa = 〈φa|h|φa〉+
∑Nb=1(〈φaφa ||φbφb〉 − 〈φaφb ||φbφa〉)
Virtualεi = 〈φi|h|φi〉+
∑Nb=1(〈φiφi ‖ φbφb〉 − 〈φiφb ‖ φbφi〉)
• Sum over b is over occupied orbitals only. Therefore for the firstexpression only, one of the terms will cancel when b=a:
〈φaφa ‖ φaφa〉 − 〈φaφa ‖ φaφa〉 = 0
• Therefore in the Hartree-Fock approximation an electron does not feel itsown field, since the self-interaction is cancelled by an equivalent term inthe exchange energy.
37
Self-interaction in local density approximation to DFTLSDA exchange energy
Ex =∫dr εx [ρ↑(r), ρ↓(r)]
Self-interaction in local density approximation to DFTLSDA exchange energy
Ex =∫dr εx [ρ↑(r), ρ↓(r)]
Mean-field contains all the electrons
Self-interaction in local density approximation to DFTLSDA exchange energy
Ex =∫dr εx [ρ↑(r), ρ↓(r)]
Mean-field contains all the electrons
Implications:
Self-interaction in local density approximation to DFTLSDA exchange energy
Ex =∫dr εx [ρ↑(r), ρ↓(r)]
Mean-field contains all the electrons
Implications:
• U (interpreted as the ‘self-exchange’ term) equals J (the ‘differentorbital’ exchange term).
• But U and J differ by an order of magnitude in NiO. LSDA effectivelyaverages these quantities.
• Therefore additional potential U felt by unoccupied orbitals disappears,and instead all the states are shoved up in energy by something like theaverage of U and J .
• Local density theory lumps all these exchange interactions together andthus dilutes the effect of self-exchange and underestimates the driving forcefor the formation of a correlated state. This is the root of the difficulty ofcontemporary calculations in describing strongly-correlated systems.
38
What to do about it
Problem:
The effect of self-interaction and the use of simple local exchangefunctionals (inherent in LSDA and all GGA treatments) will often lead tothe wrong ground state in magnetic insulators and other stronglycorrelated materials.
What to do about it
Problem:
The effect of self-interaction and the use of simple local exchangefunctionals (inherent in LSDA and all GGA treatments) will often lead tothe wrong ground state in magnetic insulators and other stronglycorrelated materials.
Possible ways to improve this:
What to do about it
Problem:
The effect of self-interaction and the use of simple local exchangefunctionals (inherent in LSDA and all GGA treatments) will often lead tothe wrong ground state in magnetic insulators and other stronglycorrelated materials.
Possible ways to improve this:
• Use ‘corrections’ to LDA treatment (LDA+U, SIC-LDA).
• Use unrestricted Hartree-Fock calculations.
• Use ‘hybrid functionals’ in DFT containing some fraction of thenon-local HF exchange (e.g. B3LYP)
• Use ‘exact-exchange’ DFT treatments currently being developed.
• Use the result of any of the above as a trial wave function for quantumMonte Carlo (which is self-interaction free).
39
Results for some simple properties of NiO
a (A) EC (eV) Eg (eV)UHF 4.26 6.2 14.2LSDA 4.09 10.96 0GGA 4.22 8.35 0B3LYP 4.22 7.8 3.9DMC(UHF) (4.16ish?) 9.44(13)DMC(B3LYP) 9.19(14) 4.3(2)Exp. 4.165 9.45(±?) 4.0–4.3
Lattice constant, a, cohesive energy, EC, and band gap, Eg, of NiO.
3.9 3.95 4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5
Lattice constant (Å)
-0.002
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
Cha
nge
in e
nerg
y (H
a)
DMCHFLDA
Expt = 4.165 Å
DMC calculations still running!
40
Real Mott transitionsExperimental techniques• very high pressure diamond anvil cells (−→ Mbar range)• Mossbauer spectroscopy - probes spins through hyperfine fields - onlyhigh pressure method for probing sensitive magnetic phenomena likeHS →LS transitions etc..• synchrotron X-ray diffraction• resistance measurements
Examples NiI2, CoI2, Fe2O3, FeO
41
Things to do (maybe)
Research
• Implement calculation of many-body phase operators in CASINO QMCcode (easy!).
• Check if results of above make sense in very simple systems (likehydrogen chain!) then repeat in simple materials like aluminium andcarbon.
• Check out the Mott transitions in e.g. NiI2, CoI2, Fe2O3, etc. HS →LStransition in FeO with both DFT and QMC calculations.
Things to think about
• The mathematics of Berry phases and many-body phase operators inperiodic boundary conditions..
• Clarify the connections between localization tensors, maximally localizedWannier functions, conductivity, nearsightedness, density matrices, Boyslocalization, Kohn theory, polarization etc..
42
Conclusions
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
• If you allow the latter, many features of the ‘Mott transition’ appear tobe recovered from band overlap transitions within spin-polarized bandtheory.
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
• If you allow the latter, many features of the ‘Mott transition’ appear tobe recovered from band overlap transitions within spin-polarized bandtheory.
• Clearly can calculate trial wave functions for QMC off the back of this,and can calculate the localization tensor? What else do we need todescribe a Mott transition?
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
• If you allow the latter, many features of the ‘Mott transition’ appear tobe recovered from band overlap transitions within spin-polarized bandtheory.
• Clearly can calculate trial wave functions for QMC off the back of this,and can calculate the localization tensor? What else do we need todescribe a Mott transition?
REASONABLE GUESS AT WAVE FUNCTION
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
• If you allow the latter, many features of the ‘Mott transition’ appear tobe recovered from band overlap transitions within spin-polarized bandtheory.
• Clearly can calculate trial wave functions for QMC off the back of this,and can calculate the localization tensor? What else do we need todescribe a Mott transition?
REASONABLE GUESS AT WAVE FUNCTION
⇓
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
• If you allow the latter, many features of the ‘Mott transition’ appear tobe recovered from band overlap transitions within spin-polarized bandtheory.
• Clearly can calculate trial wave functions for QMC off the back of this,and can calculate the localization tensor? What else do we need todescribe a Mott transition?
REASONABLE GUESS AT WAVE FUNCTION
⇓
QUANTUM MONTE CARLO
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
• If you allow the latter, many features of the ‘Mott transition’ appear tobe recovered from band overlap transitions within spin-polarized bandtheory.
• Clearly can calculate trial wave functions for QMC off the back of this,and can calculate the localization tensor? What else do we need todescribe a Mott transition?
REASONABLE GUESS AT WAVE FUNCTION
⇓
QUANTUM MONTE CARLO
⇓
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
• If you allow the latter, many features of the ‘Mott transition’ appear tobe recovered from band overlap transitions within spin-polarized bandtheory.
• Clearly can calculate trial wave functions for QMC off the back of this,and can calculate the localization tensor? What else do we need todescribe a Mott transition?
REASONABLE GUESS AT WAVE FUNCTION
⇓
QUANTUM MONTE CARLO
⇓
VERY ACCURATE NUMBERS AND LOCALIZATION PROPERTIES!
Conclusions• To a first approximation, ‘strong correlations’ can be described by simplyallowing spin polarization i.e. allowing the density of up-spin electrons todiffer from the density of down-spin electrons (controversial!).
• If you allow the latter, many features of the ‘Mott transition’ appear tobe recovered from band overlap transitions within spin-polarized bandtheory.
• Clearly can calculate trial wave functions for QMC off the back of this,and can calculate the localization tensor? What else do we need todescribe a Mott transition?
REASONABLE GUESS AT WAVE FUNCTION
⇓
QUANTUM MONTE CARLO
⇓
VERY ACCURATE NUMBERS AND LOCALIZATION PROPERTIES!
Hurray! 43