Electronic structure of multiorbital correlated systems

Abstract

We propose a numerically exact scheme to calculate the local electronic structure and magnetic properties of correlated systems. The scheme employs the recently developed determinantal Continuous Time Quantum Monte Carlo method for the solution of the quantum impurity problem. With this approach, we are able to treat multiorbital impurity problems, including Coulomb interaction of the most general form. This scheme allows to calculate spin susceptibilities as well as Green functions, accurately taking into account all the features of the conduction electron density of states.

The Continuous Time Quantum Monte Carlo method has been applied to calculate properties of a single-spin Kondo impurity coupled to a band of conduction electrons with an arbitrary density of states. We discuss the behavior of the spin susceptibility of a Kondo impurity embedded into different environments: an ultrasmall grain, the Anderson model, corresponding to a lattice with random on-site energy levels, and a two-dimensional lattice, where the density of states has a van Hove singularity.

The realistic five-band model for transition metal atoms with full Coulomb interaction vertex as a Kondo impurity in a metal matrix has been calculated. Application to a cobalt impurity in a copper matrix shows a strong renormalization of the initial non-interacting density of states near the Fermi level.

In order to calculate properties of correlated solids, the Continuous Time Quantum Monte Carlo method is used as an impurity solver within the dynamical mean-field theory. The metal-insulator phase transition for two and three anisotropic orbitals on the Bethe lattice with spin-flip interactions is considered. The results obtained are in good agreement with previous studies. The method is applied to a real correlated solid, namely strontium ruthenate (Sr2RuO4). We investigated the role of non-diagonal terms in the interaction part of the Hamiltonian, related to spin flip and pair hopping interactions.

Wir stellen ein numerisch exaktes Verfahren zur Berechnung der lokalen elektronischen Struktur und magnetischer Eigenschaften korrelierter Systeme vor. Das Verfahren verwendet die kürzlich entwickelte Zeitkontinuum-Determinanten-Quanten-Monte-Carlo Methode zur lösung des Quanten-Störstellen-Problems. Mit diesem Zugang sind wir in der Lage, multiorbitale Störstellen-Probleme einschließlich der Coulomb-Wechselwirkung in der allgemeinsten Form anzugehen. Dieses Verfahren gestattet es, sowohl Spin-Suszeptibilitäten als auch Green-Funktionen zu berechnen, indem alle Merkmale der Zustandsdichte der Leitungselektronen genau berücksichtigt werden.

Die Zeitkontinuum-Quanten-Monte-CarloMethode wurde angewandt, um die Eigenschaften eine Kondo-Störstelle mit einem einzelnen Spin zu berechnen, der an ein Band von Leitungselektronen mit beliebiger Zustandsdichte gekoppelt ist. Wir erörtern das Verhalten der Spin-Suszeptibilität einer Kondo-Störstelle in verschiedenen Umgebungen: in einem ultrakleinen Krümel, im Anderson-Modell eines Gitters mit auf den Gitterplätzen zufällig verteilten Energieniveaus und auf einem zweidimensionalen Gitter, auf dem die Zustandsdichte eine van-Hove-Singularität aufweist.

Für Atome in realistischen Übergangsmetallen wurde das Fünf-Band-Modell einer Kondo-Störstelle in einer metallischen Umgebung mit vollem Coulomb-Wechselwirkung-Vertex berechnet. Die Anwendung auf eine Kobalt Störstelle in einer Kupfer-Umgebung zeigt eine starke Renormierung einer ursprünglich nicht-wechselwirkenden Zustandsdichte nahe der Fermikante.

Um die Eigenschaften korrelierter Festkörper zu berechnen, wird die Zeitkontinuum-Quanten-Monte-Carlo Methode als Lösungsmethode für das Störstellenproblem innerhalb der Dynamischen Molekularfeld-Theorie benutzt. Der Metall-Isolator-Phasenübergang für zwei und drei anisotrope Orbitale auf dem Bete-Gitter mit Spin-Umklapp-Wechselwirkung wird betrachtet. Die gewonnenen Ergebnisse stimmen gut mit bekannten früheren Untersuchungen überein. Die Methode wird auf einen realen korrelierten Festkörper, Strontium-Ruthenat (Sr2RuO4), angewandt. Wir untersuchen die Bedeutung nicht-diagonaler Terme im Wechselwirkungsteil des Hamilton-Operators, der sich auf Spin-Umklapp- und Paar-Hüpf-Prozesse bezieht.