We propose a systematic procedure for constructing effective models of strongly correlated materials. The parameters, in particular the on-site screened Coulomb interaction $U$, are calculated from first principles, using the random-phase approximation. We derive an expression for the frequency-dependent $U(\ensuremath{\omega})$ and show, for the case of nickel, that its high-frequency part has significant influence on the spectral functions. We propose a scheme for taking into account the energy dependence of $U(\ensuremath{\omega})$, so that a model with an energy-independent local interaction can still be used for low-energy properties.

A theory of the metal-insulator transition in vanadium dioxide from the high- temperature rutile to the low- temperature monoclinic phase is proposed on the basis of cluster dynamical mean-field theory, in conjunction with the density functional scheme. The interplay of strong electronic Coulomb interactions and structural distortions, in particular, the dimerization of vanadium atoms in the low-temperature phase, plays a crucial role. We find that VO2 is not a conventional Mott insulator, but that the formation of dynamical V-V singlet pairs due to strong Coulomb correlations is necessary to trigger the opening of a Peierls gap.

Femtosecond time-resolved photoemission is used to investigate the time evolution of electronic structure in the Mott insulator 1T-TaS2. A collapse of the electronic gap is observed within 100 femtoseconds after optical excitation. The photoemission spectra and the spectral function calculated by dynamical mean field theory show that this insulator-metal transition is driven solely by hot electrons. A coherently excited lattice displacement results in a periodic shift of the spectra lasting for 20 ps without perturbing the insulating phase. This capability to disentangle electronic and phononic excitations opens new directions to study electron correlation in solids.

Using ${t}_{2g}$ Wannier functions, a low-energy Hamiltonian is derived for orthorhombic $3{d}^{1}$ transition-metal oxides. Electronic correlations are treated with a new implementation of dynamical mean-field theory for noncubic systems. Good agreement with photoemission data is obtained. The interplay of correlation effects and cation covalency (${\mathrm{GdFeO}}_{3}$-type distortions) is found to suppress orbital fluctuations in ${\mathrm{LaTiO}}_{3}$ and even more in ${\mathrm{YTiO}}_{3}$, and to favor the transition to the insulating state.

We present an approach that combines the local-density approximation (LDA) and the dynamical mean-field theory (DMFT) in the framework of the full-potential linear augmented plane-wave method. Wannier-type functions for the correlated shell are constructed by projecting local orbitals onto a set of Bloch eigenstates located within a certain energy window. The screened Coulomb interaction and Hund's coupling are calculated from a first-principles constrained random-phase approximation scheme. We apply this $\text{LDA}+\text{DMFT}$ implementation, in conjunction with a continuous-time quantum Monte Carlo algorithm, to the study of electronic correlations in LaFeAsO. Our findings support the physical picture of a metal with intermediate correlations. The average value of the mass renormalization of the $\text{Fe}\text{ }3d$ bands is about 1.6, in reasonable agreement with the picture inferred from photoemission experiments. The discrepancies between different $\text{LDA}+\text{DMFT}$ calculations (all technically correct) which have been reported in the literature are shown to have two causes: (i) the specific value of the interaction parameters used in these calculations and (ii) the degree of localization of the Wannier orbitals chosen to represent the $\text{Fe}\text{ }3d$ states, to which many-body terms are applied. The latter is a fundamental issue in the application of many-body calculations, such as DMFT, in a realistic setting. We provide strong evidence that the DMFT approximation is more accurate and more straightforward to implement when well-localized orbitals are constructed from a large energy window encompassing $\text{Fe-}3d$, $\text{As-}4p$, and $\text{O-}2p$ and point out several difficulties associated with the use of extended Wannier functions associated with the low-energy iron bands. Some of these issues have important physical consequences regarding, in particular, the sensitivity to the Hund's coupling.

In this work, we address the question of calculating the local effective Coulomb interaction matrix in materials with strong electronic Coulomb interactions from first principles. To this purpose, we implement the constrained random phase approximation (cRPA) into a density functional code within the linearized augmented plane wave (LAPW) framework. We apply our approach to the 3d and 4d early transition metal oxides SrMO3 (M=V, Cr, Mn) and (M=Nb, Mo, Tc) in their paramagnetic phases. For these systems, we explicitly assess the differences between two physically motivated low-energy Hamiltonians: The first is the three-orbital model comprising the t2g states only, that is often used for early transition metal oxides. The second choice is a model where both, metal d- and oxygen p-states are retained in the construction of Wannier functions, but the Hubbard interactions are applied to the d-states only ("d-dp Hamiltonian"). Interestingly, since -- for a given compound -- both U and J depend on the choice of the model, so do their trends within a family of these compounds. In the 3d perovskite series SrMO3 the effective Coulomb interactions in the t2g Hamiltonian decrease along the series, due to the more efficient screening. The inverse -- generally expected -- trend, increasing interactions with increasing atomic number, is however recovered within the more localized "d-dp Hamiltonian". Similar conclusions are established in the layered 4d perovskites series Sr2MO4 (M=Mo, Tc, Ru, Rh). Compared to their isoelectronic and isostructural 3d analogues, the 4d 113 perovskite oxides SrMO3 (M=Nb, Mo, Tc) exhibit weaker screening effects. Interestingly, this leads to an effectively larger U on 4d shells than on 3d when a t2g model is constructed.

Elucidating the physics of the single-orbital Hubbard model in its intermediate-coupling regime is a key missing ingredient to our understanding of metal-insulator transitions in real materials. Using recent nonperturbative many-body techniques that are able to interpolate between the spin-fluctuation-dominated Slater regime at weak coupling and the Mott insulator at strong coupling, we obtain the momentum-resolved spectral function in the intermediate regime and disentangle the effects of antiferromagnetic fluctuations and local electronic correlations in the formation of an insulating state. This allows us to identify the Slater and Heisenberg regimes in the phase diagram, which are separated by a crossover region of competing spatial and local electronic correlations. We identify the crossover regime by investigating the behavior of the local magnetic moment, shedding light on the formation of the insulating state at intermediate couplings.Received 5 December 2023Accepted 13 May 2024DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.236504© 2024 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasMetal-insulator transitionPhysical SystemsMott insulatorsStrongly correlated systemsTechniquesDiagrammatic methodsDynamical mean field theoryHubbard modelCondensed Matter, Materials & Applied Physics

We study two related universal anomalies of the spectral function of cuprates, so-called waterfall and high-energy kink features, by a combined cellular dynamical mean-field theory and angle-resolved photoemission study for the oxychloride NaxCa2−xCuO2Cl2 (Na-CCOC). Tracing their origin back to an interplay of spin-polaron and local-correlation effects both in undoped and hole-doped (Na-)CCOC, we establish them as a universal crossover between regions differing in the momentum dependence of the coupling and not necessarily in the related quasiparticles' energies. The proposed scenario extends to doping levels coinciding with the cuprate's superconducting dome and motivates further investigations of the fate of spin polarons in the superconducting phase. locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon Physics Subject Headings (PhySH)Electronic structurePolaronsCupratesHigh-temperature superconductorsAngle-resolved photoemission spectroscopyDynamical mean field theory