Введение к работе
Актуальность темы. 13 настоящее время_общепризнанно, что актинида представляют собой уникальную группу элементов. Эта уникальность связана не только с их ядерными свойствами, которые начиная с 1940-х годов приведи к бурному развитию ядерной энергетики и ядерных технологий, но и необычными физико-химическими свойствами, спредолящимися электронной подсистемой. Наряду с такими, ставшими уже традиционными свойствами актинидов, как немонотонная зависимость равновесных атомных объемов, энергий иогезии, энтропии от номера элемента, существование большого числа аллотропных модификаций для легкій актинидов, в' послэднио годы обнаружен целый ряд новых примеров необычного поведения данных систем: тяжелоферммон-ные соединения, сверхпроводящие материалы на их основе, интересные магнитные и магнитооптические свойства, которцо открывают широкий простор для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в атой области.
Серьезные трудности на пути экспериментальных исследований связаны с высокой радиоактивностью и малым периодом полураспада, большинства элементов. Работа с ними становится все более трудоемкой и дорогостоящей. В связи с этим, возрастает роль теоретических методов исследования электронного строения и численного моделирования" физико-химических свойств актинидов и их соединении. В настоящее время сформировалось два основных направления в канной области. Первое из них предполагает использование модельного гамильтониана с набором подгоночных параметров. В таком подходе за счет подбора параметров появляется возможность для описания широкого спектра экспериментальных данных. Второе направление - это расчеты из "первых принципов", которые основаны на зонных или кластерных методиках, использующих минимум исходной экспериментальной информации и не содержащих каких-либо подгоночных параметров.- Перспективность второго подхода связана прежде всего с * возможностью изучения мехинизма физического явления при интерпретации и прогнозировании результатов эксперимента на ого основе. Вместе с том, развитие данного направления требует косректнсго рассмотрения не ."ого ряда факторов при численном моделировании электронных cno"c.vn згстпнндов и их соединений. Во-первых, в актинидах, н-;к и r-,o i*"ex -,чахлых элементах, вакную роль играют релятивистские .'^'ектн, пго-
ледователышй учет которых неообходим. Во-вторых, существование большой группы актинидов, обладающих магнитным упорядочением требует включения магнитных взаимодействий при анализе их электронного строения. Однако, д^ настоящего примени но существует последовательной численной схеми, поьнодятой учитывать оба эти фактора на эквивалентной основе. Исследования же, выполненные независимо, на осново .лиОс полност .о релятивистских немагнитных, либо скаляр -но-реляті:вистских с включением эффектов сливового магнетизма и рамках приближений локальной спиновой илаттсти и учетом спин орбитального взаимодействия во теории возмущений методов расчета электронного строения актинидов зачастую приводят к противоречивым результатам. Кроме того, в этих исследованиях полностью выпадают из рассмотрения такие принципиально важные тип и ти как природа сильного орбитального магнетизма, магнитная ани.зогрептя актинидов v. их соединении.
Таким образом, актуальным направлением в области теоретических исследований электронного отроения и Физико-химических свойств актинидов и их соединений является разработка методик, позволяющих в рамках одной численной схемы учитывать как полный набор реляїи-вистских так и магнитных эффектов л исследование их одноЬї»;лонноги влияния на электроннио характеристики указанных сиотзм.
Цель работы. 1. Разработка оригинального спин-поляризованного релятивистского метода "линеаризованных mullln-tln орбиталой" (ЛМТО) для расчетов
^ЭЛеКТрОННОЙ СТРУКТУРЫ ТЕерДЫХ ТЄЛ, ПОЙВОЛЯЩОГО учитывать ОДПОВре-
менио полный набор релятивистских и магнитных эффектов на основи самосогласованного решения уравнений Дирака в рамках релятивистского приближения локальной спиновой плотности без применения тео рии возмущений.
Z. Создание комплекса программ, реализующих еггин-поллрияоватшй релятивистский метод JTMTO для идеальных кристаллов о ігроизвслтим числом атомов в элементарной ячейке.
3. Исследование электронного строения и магнитных характеристик гипотетических ГЦК-фаз чистых 5Г-металлов Th-Cr, я также соединений вида АпХ ( где An - її, Np. ?u; X - С, N ) в рамках снин-поля-ризовашых релятивистских приближений локально? плотности. Д. Исследование влияния ролятавистоккх аффектов на зависимость электронного строения и магнитных свойств ГЦК-фазн плутония от ее
объема.
5: Теоретический исследования природи сильного оргитальнсго магнетизма актинидов и их соединений, диализ возможностей его учета з рамках первопршзцишых расчетов электронной, структуры твердых тел.
Научная новизна.
Предложен новый метод расчета электронной структури твердих тел, позволяющий рассматривать релятивистские и магнитные эффекты па равной' основе без применения теории возмущений. Использование ЛМГО-формэшзма для этих целей позволило значительно сократить затраты компьютерного Бремени и впервые реализовать эффективную самосогласованную схему для проведения сгг.ш-пояяризованных релятивистских расчетов электронной структури кристаллов ( б том числе с несколькими атомами в элементарной ячейке ).
Впервые, в рамках единого подхода исследовано взаимное влияние релятивистских и .магнитных эффектов на электронное строения и свойства чистых 5Г~металлов Th-Ci и ряда их соединений AnX ( где An - U, ї!р, pu; X - С, Ы ). Показано, что в 5f-системах одновременный учет релятивистских и магнитных эффектов является необходимым и резко меняет как спектры одноэлектронкых состояний, так и целый ряд других характеристик.
Исследованы границу применимости релятивистских приближений локальной спиновой плотности (ЛСП) для моделирования магнитных сесйств соединений на основе 5-элементов. Впервые предложено использовать Щі'Л'Ужітт локальной спиновой плотности с точней компенсацией электронно:'- самодействия (ЛСП-КСД) для описания аффектов сильного орбита.гизго магнетизма в 51-системах, представлено его релятивистское обобщенна.
Научная и практическая ценность.
"^.л^квнный в работе спин-поляризоватшй релятивистский -'Ж . 1-.,. -j.r;;i3M кокот служить основой с одной стороны дял нренедв-ния широкого круга исследований электронного спектра летах .:':е:гп-нений на основе тяжелых d н 1 элементов, в которых рс-лятпвиотскно і магнитные эффекты одного порядка, с другой - для "осгстч'геокого .моделирования нового класса свойств твердых тел, тзки:; лак ь-ггнп'''-нзя анизотропия, магнитооптические скопства.
Проведенные в работе несладоваиия показали, нто точної -.en-рекция одектрошого самодействил мож'.-г служить основой для .\о г.-.:<:
ровашія эффектов сильного орбитального магнетизма актинидов и .их соединоїшй в рамках пэрюпринципнох методов расчета электронной структури твердих тол.
На ващиту ьиносятоя следующие основные положения:_
1. Схема метода ЛМТО молот быть обобщена на случай решения уравне
ний Дирака с учетом магнитных эффектов в рамках приближений ло
кальной спиновой плотности. При этом, проблема поиска собственных
значений и собственных состояний кристалла по-прежнему может быть
сведена к диагонализации некоторого эффективного ЛМТО-гамильтониа-
на HtK^V-tn1 fo.-S(K)j R , построенного при помощи независящих от энергии структурних констант S(K) к потенциальных параметров R, Q и V, имеющих матричную структуру в отличие от обычных скалярно-ре-лятизистского или релятивистского немагнитного .ШТО-лодходов.
-
Резкое изменение характера 51-элоктрогашх состояний в актинидных металлах: участие в формировании химической связи для элементов начала ряда (Th-Fu) и локализованное поведение в случае тяжелых актинидов Ат-СГ. При этом, формализм локальной спиновой плотности с учетом полного набора релятивистских эффектов приводит г. хорошим результатам при моделировании свойств основного состояния легких актинидов Th-Pu. Использование данного подхода для моделирования электронного строения ТЯЖОЛ1ІХ актинидов сопряжено j серьезными трудностями, в то время как точная компенсация нефиэичяо-го электронного самодзйствия позволяет корректно воспроизвести многие свойства этих объектов.
-
Использование приближений ЛСП с точной комиексацой электронного самодействик является одни/, из вссмоиных путей учета эффектов сильного орбитального магнетизма в рас-штах электронной структури актинидов.
-
Магнетизм соединений АпХ ( где ап - U, Np, Fu; ,Х - С, М ) ке может быть отнесен і: чисто спиновому. Спинсвыо и орбитальные составляющие магнитных моментов в данных системах одного порядка и одновременно участвуют в формировании магнитного упорядочения.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции но магнетизму, г. Париж, Франция, 1938 г.; XVIII Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, г. Калинин, 1988 г.; III Всесоюзной конференции "Кьаптовая химия и спектроско-
гоїя твердого тела", г. Свердловск, 1989 г.; Международной конференции "Актнккдн-89", г. Ташкент, Г939 г.; Третьем двустороннем созетско-японском семинаре "Соединения редких земель и актинидов. Тяжелые ферыиош и сверхпроводашость") г. Душанбе, IS89 г.; Международной конференции "Электронная структура е 1990-х", ФРГ, 19Э0 г.; Международной конференции "Химия твердого тела", г. Одесса, 1990 г.; Конференции по квантовой химии твердого тело, г. Рига, 1990 г.; научных семинарах Института Мэкса Планка, г. Штутгарт, ФРГ. 1939 г.; Северо-Западного Университета, г. Эванстон, США, 1990 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, список которых приводится в конце автореферата.
Структура И Объем ДИССертаЦИИ, ДпССбРТЧЦИЯ СОСТОИТ ИЗ введения, пяти глав, заключения, трех приложений и списка литературы. Содеркит 194 страница, в том числе 36 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 124 наименования.