近期，固体所物质计算科学研究室曾雉研究员课题组在地球下地幔中Fe2+的自旋转变压力研究中取得新进展，相关结果发表在Journal of Physics: Condensed Matter (J. Phys.: Condens. Mat. 30(15),155403 (2018))上。
地球下地幔(LM)几乎占据了地球体积的一半，铁方镁石(Mg1-x,Fex)O则是下地慢中含量第二的矿物，可视为MgO和FeO的固溶体。随着外部压力的增加，铁方镁石中Fe2+会发生高自旋态(HS)向低自旋态(LS)转变。这种自旋态的转变对铁方镁石的很多物性都有显著的影响，例如会出现弹性异常，也反应了地球下地慢地震波的变化。因此，理解Fe2+的自旋转变是阐述高压下铁方镁石物性的一个关键。
理论研究上考虑到体系的强关联效应，主要采用局域密度近似加Hubbard U (LDA+U) 充分考虑在位库伦相互作用。然而在这个体系中U值与压力、构型和自旋态均有关联，事实上很难得到自洽的计算结果。此外在LDA+U框架下，也缺失对交换作用的正确描述。
为此，课题组采用杂化泛函(HSE)方法研究了铁方镁石随着压力的物性变化。计算中采用同一套固定的参数，自洽得到了与不同浓度相应的自旋转变压力。研究发现：相比于通常采用LDA+U方法，HSE计算的结果与实验结果更为吻合，尤其在高浓度部分能够得到与实验几乎相同的自旋转变压力变化率；HSE方法也为过渡金属的自旋态转变计算提供了一种行之有效的计算手段。
以上研究得到了国家自然科学基金和NSAF联合基金的资助。
文章链接：http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/aab4b5
图1. Fe2+自旋转变压力与Fe浓度变化关系以及理论与实验自旋转变压力汇总。空心点表示理论计算结果，实心点表示实验测量结果。
