Общая характеристика работы
Содержание работы
Публикации
Купить

Актуальность темы. Научно-технический прогресс последних нескольких десятков лет едва ли представим без прикладного применения магнитных свойств передовых материалов. Первоначально исследователи и инженеры оперировали, в основном, физическими величинами, характеризующими магнетизм в макромасштабе, такими как суммарный магнитный момент и его ориентация во внешнем магнитном поле. Но, по мере развития теоретического понимания, эмпирической базы, а также возможностей экспериментов, открывались всё новые технологические перспективы, которые были основаны на использовании отдельных электронных и магнитных ячеек. Особенно стоит отметить возникновение электронных вычислительных машин и модулей памяти, эффективность и скорость работы которых очевидно пропорциональна количеству используемых ячеек. А в силу общего производственного курса на миниатюризацию электронных устройств без потери производительности подобное же требование распространяется и на размер отдельной ячейки, который при современном технологическом уровне всё более соизмерим с атомарным. Последнее означает, что значительными становятся сугубо квантовые эффекты, требующие глубокого фундаментального научного понимания как на теоретическом, так и на экспериментальном уровне. Самым известным примером такого эффекта служит квантовый спин отдельных частиц, контроль которого позволит развить технологию спин-зависимого квантового транспорта, а также совершенно по-новому взглянуть на возможности и архитектуру вычислительных устройств, в которых логические элементы и элементы памяти функционируют за счет существенно квантовых механизмов. Поэтому, используя обширный предсказательный потенциал современной вычислительной физики, представляется возможным нахождение систем, на базе которых подобные элементы могут быть сконструированы. Сегодня одними из перспективных кандидатов для этого являются поверхностные наносистемы, состоящие из атомов переходного металла, адсорбированных на изолирующую поверхность, а рассматриваемые в данной работе оксиды переходных металлов, в силу особенностей электронной структуры, интересны с точки зрения наблюдения квантовых транспортных эффектов. Это обеспечивает актуальность темы диссертационной работы.
Степень разработанности темы. На сегодняшний момент для моделирования электронной структуры и магнитных свойств квантовых систем разработан ряд методов [1; 2], хорошо доказавших свою применимость к широкому классу реальных веществ. Однако, в силу многих причин, подобные модели нельзя назвать исчерпывающими. Эти причины кроются, в основном, в методологической сложности построения реалистичной численно разрешаемой модели, а также в технической сложности реализации её решения даже с помощью современных многопроцессорных вычислительных комплексов.
Поэтому существующие методы основаны на наборе приближений, степень точности которых едва ли поддается систематизированной оценке. Это делает реальные объекты исследования предметами широких дискуссий среди физиков-теоретиков, и достоверные, на первый взгляд, результаты могут быть подвергнуты сомнению на основании новых исследовательских данных. Особенно это касается систем, значительный вклад в поведение которых вносят эффекты, моделирование которых связано с большой аппаратной сложностью. К таким эффектам традиционно относится межэлектронное кулоновское взаимодействие.
В квантовых моделях, основанных на теории статического среднего поля, кулоновское электрон-электронное взаимодействие может быть учтено путем введения эффективной статической поправки [3]. Подобный подход позволил существенно расширить класс соединений, экспериментальные данные по которым удалось успешно объяснить теоретически. Например, это переходные металлы, демонстрирующие такие перспективные свойства, как сверхпроводимость и магнитная фрустрация. Однако, вне рассмотрения оказываются динамические кулоновские корреляции, которым соответствуют сильные возмущения электронной плотности. Подобные возмущения не могут быть достоверно описаны с помощью статических методик, основанных на модели однородного электронного газа. Следовательно, для описания класса веществ, поведение которых во многом объясняется наличием сильных электронных корреляций, требуется переход от формализма статического среднего поля к динамическому.
Теория динамического среднего поля (ЭМЕТ) сегодня является признанным исследователями, надежным подходом для проведения расчетов электронной структуры в сильно коррелированных материалах. С момента публикации одной из основополагающих работ в 1996 году [2] было проведено множество исследований природы таких свойств материалов, как колоссальное магнетосопротивление, переход металл-изолятор и других. Более того, БМЕТ может быть эффективно дополнена теорией бесконечно малого спинового поворота [4] для расчета величин обменных взаимодействий и приближением случайных фаз Тябликова [5] для изучения условий стабильности магнитного порядка. Однако, существенным недостатком данного подхода является высокие требования к объему необходимых вычислительных ресурсов, и даже современные многопроцессорные вычислительные комплексы не всегда позволяют проводить реалистичное моделирование сложных многочастичных взаимодействий квантовой природы. Поэтому важной представляется разработка не только методологии, но и эффективных алгоритмов реализации подобных численных схем.
Целью данной работы является разработка методики численного решения примесной задачи Андерсона и уравнений теории динамического среднего поля в рамках подхода точной диагонализации, и её применение для изучения электронной структуры и магнитных свойств нескольких типичных представителей материалов с сильными электронными корреляциями: поверхностных наносистем, состоящих из атомов переходного металла (Ес, Со, Мп), адсорбированных на медно-азотную (СнИ) поверхность, а также оксидов переходных металлов СгО2и УО2.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать оригинальную численную схему решения квантовых электронных гамильтонианов методом точной диагонализации матриц сверхбольшой размерности (порядка 109х 109), в рамках которой задача о хранении матрицы в оперативной памяти вычислительного комплекса заменяется на задачу её эффективной генерации ”на лету”.
2. Исследовать роль динамических кулоновских корреляций в формировании: электронной структуры и магнитных свойств поверхностных наносистем ТМ/СнИ (ТМ = Ес, Со, Мп); обменного взаимодействия между атомами Мп в димере, адсорбированном на изоляторную медно-азотную поверхность.
3. Исследовать природу ферромагнетизма СгО2путем анализа спек¬
тральных функций, соответствующих плотности электронных состояний, и межатомных обменных взаимодействий, полученных в результате первопринципных расчетов, применения неограниченного подхода Хартри-Фока и теории динамического среднего поля для решения низкоэнергетической модели, а также оценить перспективы интенсификации магнитных свойств СгО2путем допирования.
4. Исследовать микроскопические механизмы возникновения высокотемпературного ферромагнетизма УО2путем оценки: стабильности магнитного порядка на основе рассчитанных межатомных обменных взаимодействий; значения температуры Кюри и перспектив её увеличения при химическом допировании.
Научная новизна:
1. В рамках разработанного численного метода решения квантовых электронных гамильтонианов впервые удалось провести самосогласованный расчет электронной структуры двумерной квадратной решетки, физической реализацией которой является слой атомов меди в соединении Ьа2СиО4, с использованием 18 эффективных электронных орбиталей и экономией до 80-90 % вычислительных ресурсов (в силу эффективной замены задачи о хранении матрицы в памяти вычисли-тельного комплекса процедурой генерации её необходимых элементов ”на лету”), что позволило детально описать электронные возбуждения в критической области перехода металл-изолятор.
2. Впервые показано, что динамические кулоновские корреляции играют существенную роль в формировании экспериментально наблюдаемого магнитного момента отдельного атома переходного металла (Ре, Со, Мп), адсорбированного на медно-азотную поверхность. С помощью разработанного численного метода впервые была решена двухцентровая модель Андерсона при низких температурах, с учетом четырех индексной матрицы кулоновского взаимодействия 31 электронов на узлах, что позволило воспроизвести экспериментальные значения обменного взаимодействия между атомами Мп в димере.
3. На основе проведенного исследования формирования ферромагнетизма в диоксиде хрома (СгО2), выполненного методом сравнительного анализа спектров электронных и магнитных возбуждений, получаемых в рамках неограниченного подхода Хартри-Фока и теории динамического среднего поля, впервые показано, что динамические кулоновские корреляции дестабилизируют ферромагнитный порядок, и для его полноценного описания минимальную модель зон атомов хрома необходимо расширить путем эффективного учета прямого обменного взаимодействия между зонами различных атомов хрома и магнитной поляризации 2р зон атомов кислорода.
4. Впервые установлено, что оптимальное значение заселенности зон атомов Сг и V в соединениях СгО2и УО2соответственно, близко к 1, что указывает на технологическую значимость дырочного допирования для этих соединений для наибольшей выраженности экспериментально демонстрируемых магнитных свойств.
Практическая значимость. В диссертационной работе автором предложена численная схема, расширяющая возможности теории динамического среднего поля, связанные с реалистичным моделированием современных материалов. Схема была применена для исследования электронной структуры и магнитных свойств реальных сильно коррелированных систем: поверхностных наносистем ТМ/СиХ (ТМ = Ре, Со, Мп), поверхностной наносистемы димера атомов Мп на медно-азотной поверхности, оксидов переходных металлов СгО2и VO2. Численная схема была реализована в виде компьютерной программы, которая может быть в дальнейшем использована для теоретического исследования твердых тел, характеризующихся соответствующими свойствами. Полученные в данной работе результаты могут служить как фундаментальным объяснением наблюдаемых экспериментально свойств рассматриваемых материалов, так и основанием для построения новых теоретических методик.
Ыетодология и методы исследования. В диссертационной работе для исследования электронной структуры рассматриваемых физических систем был применен ряд первопринципных методов (ЬЭЛ, ЬПЛ+П, ЬБЭЛ, ЬМТО-ЛБЛ), а также модельных подходов (одно- и двухцентровая модель Андерсона, теория динамического среднего поля (ЭМРТ), неограниченный подход Хартри-Фока (НПХФ)). Сравнительный анализ полученных результатов позволяет оценить роль динамических кулоновских корреляций в формировании перспективных электронных свойств данных систем. Для изучения магнитных свойств данные вышеуказанных расчетов были использованы в рамках теории бесконечно малого спинового поворота (для нахождения величин межатомного обменного взаимодействия и оценки стабильности магнитного порядка), приближения случайных фаз Тябликова (для оценки значения температуры Кюри) и самосогласованной теории линейного отклика (для оценки дополнительных вкладов стабильность магнитного порядка, выходящих за рамки минимальной низкоэнергетической модели магнитоактивных электронов).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный численный метод решения квантовых электронных гамильтонианов позволяет проводить теоретическое исследование электронных и магнитных свойств как объемных кристаллов, так и поверхностных наносистем при конечных температурах и магнитных полях в рамках моделей, содержащих до 18 эффективных орбиталей и полную матрицу кулоновского взаимодействия.
2. Учёт динамических кулоновских корреляций при моделировании электронной структуры отдельных атомов переходного металла на медно-азотной поверхности позволил более точно (по сравнению с подходом статического среднего поля) воспроизвести экспериментально наблюдаемые магнитные спиновые состояния отдельного атома переходного металла (Мп, Ре, Со), адсорбированного на медно-азотную поверхность (Б = 5/2 для Мп, Б = 2 для Ре, Б = 3/2 для Со).
3. Решение двухцентровой модели Андерсона 31 оболочек атомов Мп в димере, адсорбированном на медно-азотную поверхность, проведенное при конечных температурах и с учетом полной матрицы кулоновского взаимодействия, позволило воспроизвести экспериментальное значение межатомного обменного взаимодействия между атомами Мп. Строгий учет динамических кулоновских корреляций сохраняет стабильность антиферромагнитного порядка при вариации значения энергии Ферми, возникающей при моделировании приложения напряжения между щупом и образцом в эксперименте сканирующей туннельной микроскопии.
4. Объяснение наблюдаемого в экспериментах ферромагнитного порядка в CrO2с помощью рассмотрения минимальных энергетических моделей магнитоактивной t2gзоны атомов Cr не может являться исчерпывающим, поскольку существенный вклад в ферромагнетизм в данном соединении вносят такие факторы, как: динамические кулоновские корреляции, дальнодействующие обменные взаимодействия, поляризация 2р зон атомов кислорода. Только коллективное их рассмотрение позволяет теоретически воспроизвести стабильный ферро-магнитный порядок в стехиометрическом CrO2.
5. Как в случае CrO2, так и в случае VO2наиболее интенсивные магнитные свойства (наибольшее оценочное значение температуры Кюри) наблюдается при величине заселенности t2gзоны, близкой к 1, что указывает на технологическую важность дырочного допирования для повышения стабильности ферромагнетизма в данных соединениях.
Достоверность полученных результатов обеспечивается широкой известностью и многократной апробацией используемых методов моделирования электронной структуры и магнитных свойств сильно коррелированных соединений, обоснованностью применения физических приближений, а также согласованностью результатов данной работы с более ранними теоретическими исследованиями и соответствующими экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях всероссийского и международного уровня:
— Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния (СПФКС-14) (Екатеринбург, 2013);
— Первая Международная молодежная научная конференция, посвященная 65-летию основания Физико-технологического института (Екатеринбург, 2014);
— Вторая Международная молодежная научная конференция «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2015» (Екатеринбург, 2015);
- Международная конференция «SPICE Workshop on "Computational Quantum Magnetism”» (Майнц, Германия, 2015);
- Международная конференция «International Symposium and Workshop "Electronic Structure Theory for the Accelerated Design of Structural Materials”» (Москва, 2015);
— Международная зимняя школа физиков-теоретиков «КОУРОВКА- XXXVI» (Верхняя Сысерть, 2016);
— Третья Международная молодежная научная конференция «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2016» (Екатеринбург, 2016);
— Международная конференция «Sino-Russian Ph.D. Students Innovation Forum on Advanced Materials and Processing Technology» (Екатеринбург, 2016);
— Международная конференция AMM-2016 «Ab-initio based modeling of advanced materials» (Екатеринбург, 2016).
Личный вклад. Все методологические и технические аспекты, реализация в виде компьютерной программы и апробация предложенного алгоритма диагонализации сверхбольших матриц выполнены диссертантом лично. Также им были выполнены все расчеты рассматриваемых в работе физических систем, проведенные на основе примесной модели Андерсона и теории динамического среднего поля. Результаты расчетов магнитных взаимодействий, проведенные на базе результатов вышеуказанного моделирования, также являются личным вкладом диссертанта. Планирование теоретических исследований, анализ и обсуждение большинства результатов и подготовка к публикации происходили при участии научного руководителя, Мазуренко В. В., а также Соловьева И. В. - при работе над четвертой и пятой главой.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 3 статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК для размещения материалов диссертаций, 9 тезисов докладов конференций.

Купить