ФЛУКТУАЦИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СИЛЬНО КОРРЕЛИРОВАННЫХ АКТИНИДОВ И СОЕДИНЕНИЙ С УЗКИМИ ЗОНАМИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Согласно диаграмме Хилла сложное поведение демонстрируют 5!’-металлы и их соединения, находящиеся на границе между магнитоупорядоченными и сверхпроводящими системами (Ри, Ат, И-Се и др.). Эти металлы не могут быть описаны ни локализованной, ни зонной моделью, в силу чего природа их магнитного состояния, в частности причины наблюдаемой в них сильной температурной зависимости спиновой магнитной восприимчивости остаются предметом дискуссий. Возникающие трудности связаны с отсутствием достоверной информации о природе магнитного состояния и ее связи с электронной структурой, получаемой при первопринципных расчетах.
Не достаточно изученной особенностью рассматриваемых систем, являются возникновение в них зарядовых валентных флуктуаций, приводящих к кондо - поведению магнитной восприимчивости. При этом в первоприципных расчетах электронной структуры основного состояния требуется учет валентных флуктуаций, приводящих к электронным переходам с изменением спиновых и орбитальных моментов.
С другой стороны простейшую интерполяцию между локализованной и зонной моделью дает модель Хаббарда, учитывающая внутриатомное кулоновское взаимодействие и зонное движение в одной и той же группе сильно коррелированных (£- и й-) электронов. Известно, что в рамках флуктуационной теории эффект хаббардовских корреляций, сводится к рассмотрению движения электронов во флуктуирующих обменных полях, вследствие чего возникает перенормировка электронных состояний: 8 ^8 ± ^ . Можно ожидать, что расщепление электронных термов во флуктуирующих обменных полях приведет к флуктуациям чисел заполнения на узлах. Учет таких флуктуаций важен для оценки вкладов в уравнение магнитного состояния продольных и поперечных спиновых флуктуаций, а также для корректной оценки коэффициента межмодовой связи, пропорционального второй производной свободной энергии по намагниченности и определяющего устойчивость ферромагнитных решений, а также температурно-полевые зависимости амплитуды спиновых флуктуаций. Представляется актуальным учет подобных эффектов и при описании магнитных свойств на основе первопринципных расчетов электронной структуры.
Важным также является исследование спиновых и зарядовых флуктуаций в соединениях с узкими й-(£-)зонами, характеризуемых наличием ковалентных рй(£)-связей. Очевидно, в этих соединениях имеет место эффект гибридизации сильно коррелированных (й- или Г-) и некоррелированных (р-) состояний, приводящий к возникновению на границе гибридизационной щели резких пиков плотности электронных состояний с аномально большой кривизной (вторая производная плотности состояний по энергии) вблизи уровня Ферми. К таким системам можно отнести сверхпроводящие купраты и ферромагнитные манганиты лантана, а также сплавы на основе германидов урана, для которых были получены экспериментальные указания на сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости (например, иСе2 при высоких давлениях).
Степень разработанности темы исследования. Несмотря на существенные успехи теории магнитных флуктуаций до сих пор окончательно не решен вопрос о соотношение спиновых и зарядовых флуктуаций в модели Хаббарда, которая наряду с зонным движением электронов учитывает только наиболее важное внутриатомное кулоновское взаимодействие. При этом центре внимания исследований электронной структуры основного состояния находится валентные флуктуации в сильно коррелированные системах с узкими 1-зонами, таких как Ат, 8-Ри и сплавы Ри-115.
Спиновая магнитная восприимчивость нормальной фазы рассматриваемых сильно коррелированных систем резко возрастает при приближении к температуре сверхпроводимости. Однако до сих пор не выяснено с какими особенностями электронной структуры и флуктуациями электронной плотности связана их неустойчивость к магнитному упорядочению. При этом имеются экспериментальные указания на то, что например, у ряда сплавов Ри-115 неустойчивость к сверхпроводимости может быть связана со спин- флуктуационным механизмом. Однако радиус спиновых корреляций резкое возрастание, которого согласно принципу минимума энергии должно приводить к разрушению куперовских пар до сих пор не определен. Ожидается, что решение этих вопросов возможно на основе теории учитывающей в уравнение магнитного состояния различие вкладов от поперечных и продольных спиновых флуктуаций, а также условий, приводящих к флуктуациям чисел заполнения на узлах.
Несмотря на огромное количество теоретических работ, также остается до конца не изученной природа магнитного состояния узкозонных сильно коррелированных соединений и сплавов с рс1(Г-) гибридизацией. Ранее гибридизационная модель уже развивалась применительно к анализу магниорезистивного и магниторефрактивного эффектов фазовом магнитном переходе в ферромагнитных полупроводниках (например, манганиты лантана Ьа1- хСахМпО3). Очевидно, что анализ подобной модели в рамках теории электронных спиновых и зарядовых флуктуаций также представляет интерес для описания магнитного состояния нормальной фазы вблизи неустойчивости к
ферромагнетизму и (или) сверхпроводимости. В частности это относится к очень хорошо изученным на эксперименте ВТСП купратам и германидам урана, в 4
которых при высоких давлениях наблюдается сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости (например, ИОе2).
Целью диссертационной работы является развитие теории спиновых и зарядовых флуктуаций в модели Хаббарда, ее обобщениях дополнительно учитывающих межузельные бКобменные взаимодействия, рб(£)-гибридизацию и на этой основе исследование с использованием методов первопринципных вычислений, электронной структуры и магнитных свойств сильно коррелированных 5£-металлов и соединений с узкими б-,£-зонами.
Задачи исследования сформулированы следующим образом:
1. На основе представлений о флуктуирующих в пространстве и времени обменных и зарядовых полях, описать продольные и поперечные спиновые флуктуации, зарядовые флуктуации чисел заполнения узлов в модели Хаббарда, а также в ее обобщениях учитывающих межузельное обменное взаимодействие и гибридизацию.
2. Получить уравнение магнитного состояния для намагниченности и уравнения для аномальных средних возникающих при синглетном спаривании сильно коррелированных электронов через парамагноны, с целью анализа условий температурной устойчивости и неустойчивости ферромагнитной и парамагнитной фаз.
3. Учитывая при первопринципных расчетах плотности электронных состояний,
химического потенциала и электронных концентраций , спиновые и зарядовые флуктуации связанные с хаббардовскими корреляциями, а также межузельными бКобменными взаимодействиями рассмотреть температурные зависимости магнитной восприимчивости сильно коррелированных £-электронов в америции, 8-плутонии, сплавах и соединениях Ри-115. Оценить температурные зависимости амплитуд спиновых флуктуаций, зарядовых флуктуаций чисел заполнения и температурные границы парамагнитной фазы исследуемых систем.
4. Рассмотреть электронные флуктуации в модели, учитывающей наряду с зонным движением электронов и хаббардовским взаимодействием, рб(£)- гибридизацию. Получить и сопоставить с результатами первопринципных вычислений выражения для электронного спектра, плотности электронных состояний и для температурной зависимости спиновой магнитной восприимчивости. Оценить температуры спаривания через спиновые флуктуации с учетом возможной роли зарядовых флуктуаций и межмодового взаимодействия, провести анализ спиновой магнитной восприимчивости и температуры Кюри применительно к модели некоторых ВТСП купратов, ферромагнитных и сверхпроводящих сплавов ИОе2 под давлением.
Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:
1. В рамках модели Хаббарда и ее обобщений учитывающих межузельное Гс1- обменное взаимодействие и рб(£)-гибридизацию впервые наряду со спиновыми флуктуациями описан эффект зарядовых флуктуаций чисел заполнения, которые ограничивают рост продольных спиновых флуктуации, что приводит к изменению знака коэффициента межмодовой связи.
2. Впервые показано, что условия потери устойчивости ферромагнитных решений уравнения магнитного состояния и изменения знака коэффициента межмодовой связи, на температурной зависимости парамагнитной спиновой восприимчивости возникает максимум, а радиус спиновых корреляций начинает убывать с понижением температуры.
3. В модели электронной структуры Ат и 8-плутония, вытекающей из первопринципных ЬВА+И-расчетов показано, что причиной наблюдаемой температурной зависимости их спиновой магнитной восприимчивости являются спиновые и зарядовые флуктуации, причем в случае Ат возникает резкое возрастание фактора обменного усиления и радиуса спиновых корреляций с понижением температуры, приводящее к формированию почти ферромагнитного состояния.
4. Впервые на основе анализа температурной зависимости спиновой магнитной восприимчивости РиРИСа^ сделан вывод о наличии пика плотности электронных состояний в области псевдощели, связанной со спин-орбитальным взаимодействием, найдены параметры межэлектронных взаимодействий при которых достигается согласие с экспериментальными данными.
5. В рамках развитой теории учитывающей спиновые и валентные флуктуации £- и б-электронов, и их межузельное обменное взаимодействие, с использованием электронной структуры, найденной в ЬВА+И+ЗО расчетах, достигнуто согласие с экспериментальными данными о температурной зависимости магнитной восприимчивости РиСоОа5.
6. Показано, что в усиление электронных флуктуации в б-подсистеме РиСоСа5 за счет £б-обменного взаимодействия может приводить к синглетному спариванию б-электронов.
7. В модели жесткой полосы, построенной на основе первопринципных ЬВА+И+ЗО расчетов, описана температурная зависимость магнитной восприимчивости, оценены параметры межэлектронных взаимодействий, температуры некогерентного синглетного спаривания б-электронов в нормальной (не сверхпроводящей) фазе сплавов Ри1-хАнхСоОа5 с малыми количествами актинидов и и Ыр (х=0,1).
8. Показано, что гибридизационные особенности плотности электронных
состояний коррелированных б(Г)-электронов и почти свободных р-электронов при увеличение числа дырок в валентной (нижней) зоне приводят к потери устойчивостей ферромагнитных решений уравнения магнитного состояния (оптимально легированные купраты Ьа2-хЗгхСиО4).
9. Впервые показано, что за счет обмена парамагнонами возможно возникновение синглетного спаривания с б-симметрией параметра порядка в сильно коррелированных системах с рб- и рГ-гибридизацией (ИОе2 при р=1,5-1,7 ГПа, оптимально легированные ВТСП купраты La2-xSгxCuO4).
Теоретическая и практическая значимость работы. Развитие теории электронных спиновых и зарядовых флуктуаций в сильно коррелированных системах на основе б- и Г-металлов является важнейшим направлением современной физики конденсированных состояний. При этом наряду с развитием методов первопринципных расчетов электронных и фононных спектров, большое значение имеет построения моделей, которые позволяют сравнить принципиально важные положения теории с наблюдаемыми на эксперименте зависимостями электронных и магнитных свойств от температуры и давления.
Одной из важнейших групп сильно коррелированных систем образуют актиниды, сильно коррелированные соединения на их основе и родственные им б,Г-системы. Особо остро стоит вопрос о возможности сосуществования сверхпроводимости и ферромагнетизма, наблюдаемого, например, в ряде сплавов на основе урановых соединений. Большое научное значение имеет исследование электронных и магнитных свойств семейства соединений Ри-115, необычная сверхпроводимость которых зависит от магнитных взаимодействий.
Кроме того исследуемые актинидные системы имеют важное практическое значение. Особый интерес представляет б-плутоний, поскольку он является стратегически важным элементом для ядерной энергетики. При этом наблюдаемые магнитные восприимчивости радиоактивного плутония и других актинидных систем имеют сложные температурно-временные зависимости, связанные с формированием радиационных дефектов и малым вкладом связанным с радиационным химическим загрязнением. С другой стороны можно видеть наличие в наблюдаемой магнитной восприимчивости ряда вкладов, связанных со спиновыми и валентными флуктуациями. Хотя наиболее существенное влияние электронные флуктуации должны оказывать на магнитные и электронные свойства свежих радиоактивных образцов, их знание необходимо и для корректной оценки эффектов изучаемых в радиационном материаловедение.
Таким образом теоретическое исследование и моделирование электронных и магнитных свойств сильно коррелированных актинидов и их соединений, имеет как научное, так и практическое значение.
Методология и методы исследования. Решение поставленных в диссертации задач описания электронных и магнитных свойств сильно коррелированных 5 (’-металлов, их соединений и сплавов потребовало разработки теории электронных спиновых и зарядовых флуктуаций, основанной на введение функциональных интегралов по стохастическим обменным и зарядовым полям (преобразования Стратоновича-Хаббарда). Учет произвольных по амплитуде флуктуаций осуществлялся на основе приближения Кленина-Гертца при суммировании рядов квантово-статистических средних, определяющих функционал свободной энергии, нормальную и аномальную функции Грина. Для сильно коррелированных 1- и й-электронов последовательно рассматривались модель Хаббарда, а также ее расширение связанное с дополнительным учетом Гс1- обменного взаимодействия в двухзонной модели (Pu-115) и рй(1)-гибридизации (I .а2-хВ1Сл|О4. ИЭе2). Для описания электронных структур развивался подход основанный на методе ЬВЛ+И+ЗО, в котором учитывались флуктуации спиновой и зарядовой плотности связанные внутриатомными хаббардовскими корреляциями.
Автор выносит на защиту следующие положения:
1. Перенормировки электронного спектра за счет расщепления во флуктуирующих обменных полях приводят к флуктуациям чисел заполнения, обуславливают потерю устойчивости ферромагнетизма с понижением температуры за счет смены знака коэффициента межмодовой связи, что сопровождается уменьшением радиуса спиновых корреляций.
2. Спиновые флуктуации в системе 51-электронов Лт приводят к резкому возрастанию магнитной восприимчивости при приближении к экспериментально наблюдаемой температуре сверхпроводимости.
3. В РиСоОа5 флуктуации плотности 1-электронов посредством 1й-обменного взаимодействия усиливают флуктуации спиновой и зарядовой плотности й- электронов, что приводит к возникновению максимума на температурной зависимости их магнитной восприимчивости, к смене знака коэффициента межмодовой связи и к парамагнонному синглетному спариванию в й- подсистеме. Легирование РиСоОа5 малыми количествами актинидов и и Ыр (х=0,1) ведет к усилению электронных флуктуаций, к понижению температур максимума спиновой восприимчивости и синглетного спаривания й-электронов.
4. В энергетической области псевдощели спектра 1-электронов РиКйОа5 имеется пик плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми, который обуславливает температурное усиление спиновых флуктуаций, возникновение температурного максимума парамагнитной восприимчивости f-электронов, смену знака коэффициента межмодовой связи и уменьшение радиуса спиновых корреляций вблизи экспериментально наблюдаемой температуры сверхпроводимости.
5. В случае, когда уровень Ферми оказывается в непосредственной энергетической области гибридизационного пика, может иметь место парамагнонное синглетное спаривание Й(1)-ПОДО6НЫХ электронов с d- симметрией параметра порядка. При ферромагнитном упорядочении в ограниченном интервале температур от Tc1до Tc2ниже Tc2возникает неустойчивость к синглетному парамагнонному спариванию (UGe2в интервале давлений p=1,5-1,7 ГПа).
Достоверность полученных результатов обеспечивается согласием с экспериментальными данными и теоретическими работами, использованием и развитием апробированных методик, а также подтверждена публикациями в реферируемых научных журналах, индексируемых в базах Scopus и Web of Science, докладами на крупных Международных конференциях.
Апробация результатов. Материалы диссертационного исследования докладывались на следующих конференциях и совещаниях:
1. 44thInternational conference «Journées des Actinides» (Israel, April 2014)
2. 45thInternational conference «Journées des Actinides» (Czech Republic, April2015)
3. 3rdInternational conference on superconductivity and magnetism, (Turkey, April- May 2012)
4. 4th International conference on superconductivity and magnetism, (Turkey, April- May 2014)
5. XXII Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Астрахань, сентябрь 2012)
6. XXXVI совещание по физике низких температур (Санкт-Петербург, июль 2012)
7. VII Всероссийская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, ноябрь 2013).
Личный вклад автора: постановка задач, выбор методов решения задач, интерпретации полученных результатов и их апробация выполнены совместно с руководителем. Аналитические результаты получены совместно с соавторами работ. Первопринципные расчеты электронной структуры, численные расчеты магнитных и электронных свойств, а также сопоставление с экспериментом выполнены непосредственно диссертантом.
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ: 6 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, из которых 5 статей индексируются международными системами цитирования Scopus и Web of Science и 7 в сборниках конференций. Список работ диссертанта приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она изложена на 136 страницах, включая 52 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 100 наименований.
Не достаточно изученной особенностью рассматриваемых систем, являются возникновение в них зарядовых валентных флуктуаций, приводящих к кондо - поведению магнитной восприимчивости. При этом в первоприципных расчетах электронной структуры основного состояния требуется учет валентных флуктуаций, приводящих к электронным переходам с изменением спиновых и орбитальных моментов.
С другой стороны простейшую интерполяцию между локализованной и зонной моделью дает модель Хаббарда, учитывающая внутриатомное кулоновское взаимодействие и зонное движение в одной и той же группе сильно коррелированных (£- и й-) электронов. Известно, что в рамках флуктуационной теории эффект хаббардовских корреляций, сводится к рассмотрению движения электронов во флуктуирующих обменных полях, вследствие чего возникает перенормировка электронных состояний: 8 ^8 ± ^ . Можно ожидать, что расщепление электронных термов во флуктуирующих обменных полях приведет к флуктуациям чисел заполнения на узлах. Учет таких флуктуаций важен для оценки вкладов в уравнение магнитного состояния продольных и поперечных спиновых флуктуаций, а также для корректной оценки коэффициента межмодовой связи, пропорционального второй производной свободной энергии по намагниченности и определяющего устойчивость ферромагнитных решений, а также температурно-полевые зависимости амплитуды спиновых флуктуаций. Представляется актуальным учет подобных эффектов и при описании магнитных свойств на основе первопринципных расчетов электронной структуры.
Важным также является исследование спиновых и зарядовых флуктуаций в соединениях с узкими й-(£-)зонами, характеризуемых наличием ковалентных рй(£)-связей. Очевидно, в этих соединениях имеет место эффект гибридизации сильно коррелированных (й- или Г-) и некоррелированных (р-) состояний, приводящий к возникновению на границе гибридизационной щели резких пиков плотности электронных состояний с аномально большой кривизной (вторая производная плотности состояний по энергии) вблизи уровня Ферми. К таким системам можно отнести сверхпроводящие купраты и ферромагнитные манганиты лантана, а также сплавы на основе германидов урана, для которых были получены экспериментальные указания на сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости (например, иСе2 при высоких давлениях).
Степень разработанности темы исследования. Несмотря на существенные успехи теории магнитных флуктуаций до сих пор окончательно не решен вопрос о соотношение спиновых и зарядовых флуктуаций в модели Хаббарда, которая наряду с зонным движением электронов учитывает только наиболее важное внутриатомное кулоновское взаимодействие. При этом центре внимания исследований электронной структуры основного состояния находится валентные флуктуации в сильно коррелированные системах с узкими 1-зонами, таких как Ат, 8-Ри и сплавы Ри-115.
Спиновая магнитная восприимчивость нормальной фазы рассматриваемых сильно коррелированных систем резко возрастает при приближении к температуре сверхпроводимости. Однако до сих пор не выяснено с какими особенностями электронной структуры и флуктуациями электронной плотности связана их неустойчивость к магнитному упорядочению. При этом имеются экспериментальные указания на то, что например, у ряда сплавов Ри-115 неустойчивость к сверхпроводимости может быть связана со спин- флуктуационным механизмом. Однако радиус спиновых корреляций резкое возрастание, которого согласно принципу минимума энергии должно приводить к разрушению куперовских пар до сих пор не определен. Ожидается, что решение этих вопросов возможно на основе теории учитывающей в уравнение магнитного состояния различие вкладов от поперечных и продольных спиновых флуктуаций, а также условий, приводящих к флуктуациям чисел заполнения на узлах.
Несмотря на огромное количество теоретических работ, также остается до конца не изученной природа магнитного состояния узкозонных сильно коррелированных соединений и сплавов с рс1(Г-) гибридизацией. Ранее гибридизационная модель уже развивалась применительно к анализу магниорезистивного и магниторефрактивного эффектов фазовом магнитном переходе в ферромагнитных полупроводниках (например, манганиты лантана Ьа1- хСахМпО3). Очевидно, что анализ подобной модели в рамках теории электронных спиновых и зарядовых флуктуаций также представляет интерес для описания магнитного состояния нормальной фазы вблизи неустойчивости к
ферромагнетизму и (или) сверхпроводимости. В частности это относится к очень хорошо изученным на эксперименте ВТСП купратам и германидам урана, в 4
которых при высоких давлениях наблюдается сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости (например, ИОе2).
Целью диссертационной работы является развитие теории спиновых и зарядовых флуктуаций в модели Хаббарда, ее обобщениях дополнительно учитывающих межузельные бКобменные взаимодействия, рб(£)-гибридизацию и на этой основе исследование с использованием методов первопринципных вычислений, электронной структуры и магнитных свойств сильно коррелированных 5£-металлов и соединений с узкими б-,£-зонами.
Задачи исследования сформулированы следующим образом:
1. На основе представлений о флуктуирующих в пространстве и времени обменных и зарядовых полях, описать продольные и поперечные спиновые флуктуации, зарядовые флуктуации чисел заполнения узлов в модели Хаббарда, а также в ее обобщениях учитывающих межузельное обменное взаимодействие и гибридизацию.
2. Получить уравнение магнитного состояния для намагниченности и уравнения для аномальных средних возникающих при синглетном спаривании сильно коррелированных электронов через парамагноны, с целью анализа условий температурной устойчивости и неустойчивости ферромагнитной и парамагнитной фаз.
3. Учитывая при первопринципных расчетах плотности электронных состояний,
химического потенциала и электронных концентраций , спиновые и зарядовые флуктуации связанные с хаббардовскими корреляциями, а также межузельными бКобменными взаимодействиями рассмотреть температурные зависимости магнитной восприимчивости сильно коррелированных £-электронов в америции, 8-плутонии, сплавах и соединениях Ри-115. Оценить температурные зависимости амплитуд спиновых флуктуаций, зарядовых флуктуаций чисел заполнения и температурные границы парамагнитной фазы исследуемых систем.
4. Рассмотреть электронные флуктуации в модели, учитывающей наряду с зонным движением электронов и хаббардовским взаимодействием, рб(£)- гибридизацию. Получить и сопоставить с результатами первопринципных вычислений выражения для электронного спектра, плотности электронных состояний и для температурной зависимости спиновой магнитной восприимчивости. Оценить температуры спаривания через спиновые флуктуации с учетом возможной роли зарядовых флуктуаций и межмодового взаимодействия, провести анализ спиновой магнитной восприимчивости и температуры Кюри применительно к модели некоторых ВТСП купратов, ферромагнитных и сверхпроводящих сплавов ИОе2 под давлением.
Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:
1. В рамках модели Хаббарда и ее обобщений учитывающих межузельное Гс1- обменное взаимодействие и рб(£)-гибридизацию впервые наряду со спиновыми флуктуациями описан эффект зарядовых флуктуаций чисел заполнения, которые ограничивают рост продольных спиновых флуктуации, что приводит к изменению знака коэффициента межмодовой связи.
2. Впервые показано, что условия потери устойчивости ферромагнитных решений уравнения магнитного состояния и изменения знака коэффициента межмодовой связи, на температурной зависимости парамагнитной спиновой восприимчивости возникает максимум, а радиус спиновых корреляций начинает убывать с понижением температуры.
3. В модели электронной структуры Ат и 8-плутония, вытекающей из первопринципных ЬВА+И-расчетов показано, что причиной наблюдаемой температурной зависимости их спиновой магнитной восприимчивости являются спиновые и зарядовые флуктуации, причем в случае Ат возникает резкое возрастание фактора обменного усиления и радиуса спиновых корреляций с понижением температуры, приводящее к формированию почти ферромагнитного состояния.
4. Впервые на основе анализа температурной зависимости спиновой магнитной восприимчивости РиРИСа^ сделан вывод о наличии пика плотности электронных состояний в области псевдощели, связанной со спин-орбитальным взаимодействием, найдены параметры межэлектронных взаимодействий при которых достигается согласие с экспериментальными данными.
5. В рамках развитой теории учитывающей спиновые и валентные флуктуации £- и б-электронов, и их межузельное обменное взаимодействие, с использованием электронной структуры, найденной в ЬВА+И+ЗО расчетах, достигнуто согласие с экспериментальными данными о температурной зависимости магнитной восприимчивости РиСоОа5.
6. Показано, что в усиление электронных флуктуации в б-подсистеме РиСоСа5 за счет £б-обменного взаимодействия может приводить к синглетному спариванию б-электронов.
7. В модели жесткой полосы, построенной на основе первопринципных ЬВА+И+ЗО расчетов, описана температурная зависимость магнитной восприимчивости, оценены параметры межэлектронных взаимодействий, температуры некогерентного синглетного спаривания б-электронов в нормальной (не сверхпроводящей) фазе сплавов Ри1-хАнхСоОа5 с малыми количествами актинидов и и Ыр (х=0,1).
8. Показано, что гибридизационные особенности плотности электронных
состояний коррелированных б(Г)-электронов и почти свободных р-электронов при увеличение числа дырок в валентной (нижней) зоне приводят к потери устойчивостей ферромагнитных решений уравнения магнитного состояния (оптимально легированные купраты Ьа2-хЗгхСиО4).
9. Впервые показано, что за счет обмена парамагнонами возможно возникновение синглетного спаривания с б-симметрией параметра порядка в сильно коррелированных системах с рб- и рГ-гибридизацией (ИОе2 при р=1,5-1,7 ГПа, оптимально легированные ВТСП купраты La2-xSгxCuO4).
Теоретическая и практическая значимость работы. Развитие теории электронных спиновых и зарядовых флуктуаций в сильно коррелированных системах на основе б- и Г-металлов является важнейшим направлением современной физики конденсированных состояний. При этом наряду с развитием методов первопринципных расчетов электронных и фононных спектров, большое значение имеет построения моделей, которые позволяют сравнить принципиально важные положения теории с наблюдаемыми на эксперименте зависимостями электронных и магнитных свойств от температуры и давления.
Одной из важнейших групп сильно коррелированных систем образуют актиниды, сильно коррелированные соединения на их основе и родственные им б,Г-системы. Особо остро стоит вопрос о возможности сосуществования сверхпроводимости и ферромагнетизма, наблюдаемого, например, в ряде сплавов на основе урановых соединений. Большое научное значение имеет исследование электронных и магнитных свойств семейства соединений Ри-115, необычная сверхпроводимость которых зависит от магнитных взаимодействий.
Кроме того исследуемые актинидные системы имеют важное практическое значение. Особый интерес представляет б-плутоний, поскольку он является стратегически важным элементом для ядерной энергетики. При этом наблюдаемые магнитные восприимчивости радиоактивного плутония и других актинидных систем имеют сложные температурно-временные зависимости, связанные с формированием радиационных дефектов и малым вкладом связанным с радиационным химическим загрязнением. С другой стороны можно видеть наличие в наблюдаемой магнитной восприимчивости ряда вкладов, связанных со спиновыми и валентными флуктуациями. Хотя наиболее существенное влияние электронные флуктуации должны оказывать на магнитные и электронные свойства свежих радиоактивных образцов, их знание необходимо и для корректной оценки эффектов изучаемых в радиационном материаловедение.
Таким образом теоретическое исследование и моделирование электронных и магнитных свойств сильно коррелированных актинидов и их соединений, имеет как научное, так и практическое значение.
Методология и методы исследования. Решение поставленных в диссертации задач описания электронных и магнитных свойств сильно коррелированных 5 (’-металлов, их соединений и сплавов потребовало разработки теории электронных спиновых и зарядовых флуктуаций, основанной на введение функциональных интегралов по стохастическим обменным и зарядовым полям (преобразования Стратоновича-Хаббарда). Учет произвольных по амплитуде флуктуаций осуществлялся на основе приближения Кленина-Гертца при суммировании рядов квантово-статистических средних, определяющих функционал свободной энергии, нормальную и аномальную функции Грина. Для сильно коррелированных 1- и й-электронов последовательно рассматривались модель Хаббарда, а также ее расширение связанное с дополнительным учетом Гс1- обменного взаимодействия в двухзонной модели (Pu-115) и рй(1)-гибридизации (I .а2-хВ1Сл|О4. ИЭе2). Для описания электронных структур развивался подход основанный на методе ЬВЛ+И+ЗО, в котором учитывались флуктуации спиновой и зарядовой плотности связанные внутриатомными хаббардовскими корреляциями.
Автор выносит на защиту следующие положения:
1. Перенормировки электронного спектра за счет расщепления во флуктуирующих обменных полях приводят к флуктуациям чисел заполнения, обуславливают потерю устойчивости ферромагнетизма с понижением температуры за счет смены знака коэффициента межмодовой связи, что сопровождается уменьшением радиуса спиновых корреляций.
2. Спиновые флуктуации в системе 51-электронов Лт приводят к резкому возрастанию магнитной восприимчивости при приближении к экспериментально наблюдаемой температуре сверхпроводимости.
3. В РиСоОа5 флуктуации плотности 1-электронов посредством 1й-обменного взаимодействия усиливают флуктуации спиновой и зарядовой плотности й- электронов, что приводит к возникновению максимума на температурной зависимости их магнитной восприимчивости, к смене знака коэффициента межмодовой связи и к парамагнонному синглетному спариванию в й- подсистеме. Легирование РиСоОа5 малыми количествами актинидов и и Ыр (х=0,1) ведет к усилению электронных флуктуаций, к понижению температур максимума спиновой восприимчивости и синглетного спаривания й-электронов.
4. В энергетической области псевдощели спектра 1-электронов РиКйОа5 имеется пик плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми, который обуславливает температурное усиление спиновых флуктуаций, возникновение температурного максимума парамагнитной восприимчивости f-электронов, смену знака коэффициента межмодовой связи и уменьшение радиуса спиновых корреляций вблизи экспериментально наблюдаемой температуры сверхпроводимости.
5. В случае, когда уровень Ферми оказывается в непосредственной энергетической области гибридизационного пика, может иметь место парамагнонное синглетное спаривание Й(1)-ПОДО6НЫХ электронов с d- симметрией параметра порядка. При ферромагнитном упорядочении в ограниченном интервале температур от Tc1до Tc2ниже Tc2возникает неустойчивость к синглетному парамагнонному спариванию (UGe2в интервале давлений p=1,5-1,7 ГПа).
Достоверность полученных результатов обеспечивается согласием с экспериментальными данными и теоретическими работами, использованием и развитием апробированных методик, а также подтверждена публикациями в реферируемых научных журналах, индексируемых в базах Scopus и Web of Science, докладами на крупных Международных конференциях.
Апробация результатов. Материалы диссертационного исследования докладывались на следующих конференциях и совещаниях:
1. 44thInternational conference «Journées des Actinides» (Israel, April 2014)
2. 45thInternational conference «Journées des Actinides» (Czech Republic, April2015)
3. 3rdInternational conference on superconductivity and magnetism, (Turkey, April- May 2012)
4. 4th International conference on superconductivity and magnetism, (Turkey, April- May 2014)
5. XXII Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Астрахань, сентябрь 2012)
6. XXXVI совещание по физике низких температур (Санкт-Петербург, июль 2012)
7. VII Всероссийская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, ноябрь 2013).
Личный вклад автора: постановка задач, выбор методов решения задач, интерпретации полученных результатов и их апробация выполнены совместно с руководителем. Аналитические результаты получены совместно с соавторами работ. Первопринципные расчеты электронной структуры, численные расчеты магнитных и электронных свойств, а также сопоставление с экспериментом выполнены непосредственно диссертантом.
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ: 6 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, из которых 5 статей индексируются международными системами цитирования Scopus и Web of Science и 7 в сборниках конференций. Список работ диссертанта приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она изложена на 136 страницах, включая 52 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 100 наименований.
В диссертационной работе развивалась теория электронных спиновых и зарядовых флуктуаций, в рамках которой исследовалась электронная структура и магнитные свойства сильно коррелированных актинидов и соединений с узкими бД-зонами. Среди конкретных результатов работы целесообразно выделить следующие:
1. В рамках модели Хаббарда и ее обобщений на случай двух коррелированных бД-зон с межузельным бД-взаимодействием и коррелированной б(Д)- и некоррелированной р-зон, развита теория электронных флуктуаций, в которой рассматривается расщепление электронных состояний флуктуирующими обменными полями, приводящее к возникновению флуктуаций чисел заполнения узлов.
2. Получены уравнения магнитного состояния, учитывающее вклады продольных и поперечных спиновых флуктуаций и флуктуаций чисел заполнения. Сформулированы условия устойчивости ферромагнитных решений, которые зависят от температуры через температурные зависимости факторов обменного усиления и коэффициентов межмодовой связи .
3. Вытекающие из уравнения магнитного состояния условия устойчивости ферро- и парамагнитных решений дополнены уравнениями для аномальных функций Грина, позволяющими оценить температуры при которых возможно некогерентное синглетное парамагнонное спаривание сильно коррелированных электронов. С учетом особенностей электронных структур, сделана оценка температурной границы нормальной (не сверхпроводящей) парамагнитной фазы.
4. На основе результатов ГВА+И+ЗО исследования электронной структуры 8- плутония и америция, проведены расчеты описывающие влияние спиновых
флуктуаций на температурные зависимости магнитной восприимчивости сильно коррелированных 1-электронов. Достигнуто согласие результатов расчета с экспериментальными данными по температурным зависимостям восприимчивости, которая значительно возрастает при приближении к экспериментально наблюдаемой температуре сверхпроводимости. Определены значения факторов обменного усиления, описаны температурные зависимости амплитуд спиновых и зарядовых флуктуаций, коэффициентов межмодовой связи.
5. Получено что плотность Г-электронных состояний РнКйОа5 имеет пик в области псевдощели. Оценены температурные зависимости амплитуд спиновых и зарядовых флуктуаций и границы парамагнитной фазы исследуемых систем. Показано, что спиновые флуктуации в системе Г-электронов приводят к наблюдаемой температурной зависимости спиновой магнитной восприимчивости. При этом РнКйОа5 (в отличие от Ат) константа межможовой связи меняет знак и становится отрицательной, что ведет к потери ферромагнитных решений в области температур вблизи экспериментально наблюдаемой температуры сверхпроводимости (примерно 10К).
6. Для РнСоОа5 показано, что спиновые и зарядовые флуктуации реализуются не только в Г- но и в й-подсистеме, приводя к наблюдаемым температурным зависимостям спиновой магнитной восприимчивости. Коэффициент межмодовой связи в й-подсистеме приводит к неустойчивости ферромагнетизма, а Гй-обменное взаимодействие дополнительно усиливает флуктуации плотности й-электронов, что обуславливает их парамагнонное синглетное спаривание ниже 20 К.
7. Легирование РнСоОа5 даже малыми количествами актинидов и и Ыр (х=0,1) ведет к ослаблению межмодовой связи и амплитуд электронных флуктуаций, приводя к понижению температур потери устойчивости ферромагнитных решений и возникновения синглетных пар.
8. На основе развитых представлений о гибридизации сильно коррелированных й-электронов с р-электронами и результатов первопринципных расчетов, предложена модель электронной структуры легированных купратов лантана (La2-xSrxCuO4). В рамках модели электронной структуры получена экспериментально наблюдаемая й-симметрия параметра порядка связанного с синглетным парамагнонным спариванием й-подобных электронов. Установлены температурные зависимости и границы парамагнитной фазы исследуемых систем. Получены температурные зависимости амплитуд спиновых и зарядовых флуктуаций, спиновой магнитной восприимчивости 1АСО, согласующиеся с экспериментальными данными для парамагнитной фазы.
9. На основе представлений о гибридизации сильно коррелированных Г- электронов с р-электронами и результатов первопринципных расчетов развита модель электронной структуры ИОе2. В рамках модели определена область ферромагнитного упорядочения UGe2и при различных давлениях проведены оценки температур Кюри, результаты которых согласуются с экспериментом.
10. Показано, что в UGe2синглетное парамагнонное спаривание возможно при р=1,5-1,7ГПа. В этом же интервале давлений ферромагнетизм реализуется в ограниченном интервале температур от Tc1до Tc2, причем область синглетного спаривания оказывается ниже Tc2.
Перспектива дальнейшей разработки темы. Развитая в настоящей работе теория электронных спиновых и зарядовых флуктуаций, описывающая свойства нормальной фазы исследуемых систем, в дальнейшем может служить хорошей стартовой моделью для исследования их сверхпроводящей фазы. Представляет особый интерес анализ механизмов триплетного спаривания сильно коррелированных электронов, что, в частности, поможет описать электронную структуру, условия и механизмы сосуществования ферромагнетизма и сверхпроводимости в германидах урана UGe2, UCoGe и URhGe и др.
1. В рамках модели Хаббарда и ее обобщений на случай двух коррелированных бД-зон с межузельным бД-взаимодействием и коррелированной б(Д)- и некоррелированной р-зон, развита теория электронных флуктуаций, в которой рассматривается расщепление электронных состояний флуктуирующими обменными полями, приводящее к возникновению флуктуаций чисел заполнения узлов.
2. Получены уравнения магнитного состояния, учитывающее вклады продольных и поперечных спиновых флуктуаций и флуктуаций чисел заполнения. Сформулированы условия устойчивости ферромагнитных решений, которые зависят от температуры через температурные зависимости факторов обменного усиления и коэффициентов межмодовой связи .
3. Вытекающие из уравнения магнитного состояния условия устойчивости ферро- и парамагнитных решений дополнены уравнениями для аномальных функций Грина, позволяющими оценить температуры при которых возможно некогерентное синглетное парамагнонное спаривание сильно коррелированных электронов. С учетом особенностей электронных структур, сделана оценка температурной границы нормальной (не сверхпроводящей) парамагнитной фазы.
4. На основе результатов ГВА+И+ЗО исследования электронной структуры 8- плутония и америция, проведены расчеты описывающие влияние спиновых
флуктуаций на температурные зависимости магнитной восприимчивости сильно коррелированных 1-электронов. Достигнуто согласие результатов расчета с экспериментальными данными по температурным зависимостям восприимчивости, которая значительно возрастает при приближении к экспериментально наблюдаемой температуре сверхпроводимости. Определены значения факторов обменного усиления, описаны температурные зависимости амплитуд спиновых и зарядовых флуктуаций, коэффициентов межмодовой связи.
5. Получено что плотность Г-электронных состояний РнКйОа5 имеет пик в области псевдощели. Оценены температурные зависимости амплитуд спиновых и зарядовых флуктуаций и границы парамагнитной фазы исследуемых систем. Показано, что спиновые флуктуации в системе Г-электронов приводят к наблюдаемой температурной зависимости спиновой магнитной восприимчивости. При этом РнКйОа5 (в отличие от Ат) константа межможовой связи меняет знак и становится отрицательной, что ведет к потери ферромагнитных решений в области температур вблизи экспериментально наблюдаемой температуры сверхпроводимости (примерно 10К).
6. Для РнСоОа5 показано, что спиновые и зарядовые флуктуации реализуются не только в Г- но и в й-подсистеме, приводя к наблюдаемым температурным зависимостям спиновой магнитной восприимчивости. Коэффициент межмодовой связи в й-подсистеме приводит к неустойчивости ферромагнетизма, а Гй-обменное взаимодействие дополнительно усиливает флуктуации плотности й-электронов, что обуславливает их парамагнонное синглетное спаривание ниже 20 К.
7. Легирование РнСоОа5 даже малыми количествами актинидов и и Ыр (х=0,1) ведет к ослаблению межмодовой связи и амплитуд электронных флуктуаций, приводя к понижению температур потери устойчивости ферромагнитных решений и возникновения синглетных пар.
8. На основе развитых представлений о гибридизации сильно коррелированных й-электронов с р-электронами и результатов первопринципных расчетов, предложена модель электронной структуры легированных купратов лантана (La2-xSrxCuO4). В рамках модели электронной структуры получена экспериментально наблюдаемая й-симметрия параметра порядка связанного с синглетным парамагнонным спариванием й-подобных электронов. Установлены температурные зависимости и границы парамагнитной фазы исследуемых систем. Получены температурные зависимости амплитуд спиновых и зарядовых флуктуаций, спиновой магнитной восприимчивости 1АСО, согласующиеся с экспериментальными данными для парамагнитной фазы.
9. На основе представлений о гибридизации сильно коррелированных Г- электронов с р-электронами и результатов первопринципных расчетов развита модель электронной структуры ИОе2. В рамках модели определена область ферромагнитного упорядочения UGe2и при различных давлениях проведены оценки температур Кюри, результаты которых согласуются с экспериментом.
10. Показано, что в UGe2синглетное парамагнонное спаривание возможно при р=1,5-1,7ГПа. В этом же интервале давлений ферромагнетизм реализуется в ограниченном интервале температур от Tc1до Tc2, причем область синглетного спаривания оказывается ниже Tc2.
Перспектива дальнейшей разработки темы. Развитая в настоящей работе теория электронных спиновых и зарядовых флуктуаций, описывающая свойства нормальной фазы исследуемых систем, в дальнейшем может служить хорошей стартовой моделью для исследования их сверхпроводящей фазы. Представляет особый интерес анализ механизмов триплетного спаривания сильно коррелированных электронов, что, в частности, поможет описать электронную структуру, условия и механизмы сосуществования ферромагнетизма и сверхпроводимости в германидах урана UGe2, UCoGe и URhGe и др.