Введение к работе
Актуальность. Квантово-механическое вычисление в рамках теории функционала плотности (ТФП) представляет собой наиболее адекватный инструментарий для исследования широкого круга теоретико-прикладных задач в области физики конденсированного состояния, квантовой химии и биофизики. ТФП широко применяется для решения ряда квантово-физических задач, таких как нахождение спектров атомов и молекул в конденсированных средах, определение атомных параметров силовых полей, полной и электронной энергии системы, зарядовой плотности, спин-поляризованных связей и др.
Спин-поляризованные и спин-орбитальные расчеты в рамках ТФП представляют собой наиболее мощный аппарат для описания ферромагнетизма магнитных материалов. В этой связи исследование структурных, оптических, динамических и диэлектрических свойств магнитных систем, а также полуметаллических ферромагнетиков, магнитных изоляторов, антиферромагнетиков в последние десятилетия привлекает значительное внимание [1].
Спиновые эффекты в магнитных материалах, такие как спин-поляризованные и спин-орбитальные связи, играют основную роль в процессах формирования орбитального магнитного момента Morb и магнитного момента спина Mspin. Исследования энергетических зон электронов в зависимости от точек зон Бриллюэна, общей плотности состояния элементарных ячеек в ферромагнетиках и плотности состояний отдельных атомов с учтом обменного взаимодействия между ориентациями спинов в гамильтониане модели ферромагнетика Гейзенберга дают полную информацию о спиновой динамике в магнитной системе.
С помощью квантово-механических вычислений можно исследовать и определять многие динамические и магнитные свойства, такие, как плотность намагничивания атомов в элементарных ячейках ферромагнетиков, об-менное взаимодействие спинов, спин-поляризованные связи и т.д. [2].
Спиновые эффекты в рамках полевых моделей способствуют исследо-
ванию широкого круга таких нелинейных явлений, как локализованные (со-литонные) возбуждения и образования. При этом спиновая динамика в рамках полевых моделей приводит к нелинейным дифференциальным уравнениям, допускающим солитонные решения. Вычисления динамических факторов, в частности динамического структурного фактора (ДСФ) и интегральной интенсивности (ИИ), с помощью солитонных локализованных решений дают возможность получить информацию о динамике магнитной системы в целом.
Определение амплитуды и ширины солитона в зависимости от величины ДСФ и ИИ может служить основой для интерпретации данных нейтронных экспериментов с целью получения информации о магнитных локализованных (солитонных) возмущениях. При этом так называемое сечение нейтронов определяется именно вкладом от солитонных волн. Это важная концепция в современной спинтронике, где управление солитонных волн приводит, в принципе, к использованию солитонных волн в качестве носителя информации и стабильных электрических сигналов [3].
Объекты и предмет исследования. В качестве объектов исследования в работе были выбраны одномерные ферромагнетики Rb2NiF4 с постоянными рештки а0~Ь=4.087 А и с~За0=13.71 А и спином S=1, CsNiF3 с постоянными рештки я=6=6.21 и с = 5.29 А и спином S=1.
Предметом исследования было определение вкладов спина, спин-поля-ризованной и спин-орбитальной связей в магнитные (верхний и нижний магнитные моменты спинов, полный и орбитальный магнитные моменты всех электронов и энергия полного магнитного момента) и энергетические (величины всех видов энергий и общая плотность состояний в элементарной ячейке, энергетические зоны электронов в зависимости от точек зоны Бриллю-эна) параметры ферромагнитных систем Rb2NiF4 и CsNiF3, а также изучение свойств ДСФ и ИИ, ширины, энергии и амплитуды солитонных образований в вышеназванных магнитных системах.
Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование спиновых эффектов в магнитных материалах с помо-
щью комбинированных подходов теории функционала плотности и полевых моделей физики конденсированного состояния.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1.Оптимизация и количественная оценка всех видов энергий в элементарных ячейках ферромагнетиков Rb2NiF4 и CsNiF3 с обменным взаимодействием между ориентациями спинов в гамильтониане модели ферромагнетика Гейзенберга на основе ТФП с использованием программного многоцелевого пакета Abinit;
2.Расчт плотности намагничивания с учтом спин-орбитальной и спин-поляризованной связей и вычисление верхнего и нижнего магнитного момента спинов, полного магнитного момента и орбитального магнитного момента каждого атома в элементарных ячейках Rb2NiF4 и CsNiF3;
3.Проведение квантово-механического моделирования в рамках ТФП над ферромагнитными системами Rb2NiF4 и CsNiF3 для учта эффектов спин-орбитального и спин-поляризованного взаимодействия с целью определения общей плотности состояния в элементарных ячейках и отдельных атомов систем, а также плотности заряда электронов на основе программного многоцелевого пакета WIEN2k;
4.Исследование спиновой динамики и вычисление динамических факторов (ДСФ, ИИ и энергии солитона) в элементарных ячейках в ферромагнитных системах Rb2NiF4 и CsNiF3 с помощью локализованных (солитонных) решений;
5.Исследование энергетических и динамических характеристик процессов взаимодействия нейтронов с солитонными возбуждениями в Rb2NiF4 и CsNiF3 системах.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-в рамках ТФП проведено квантово-механическое моделирование с учтом спин-поляризованной и спин-орбитальной связей в одномерных ферромагнетиках Rb2NiF4 и CsNiF3, исследованы их энергетические, динамические и структурные свойства;
-проанализирован вклад энергетических уровней отдельных атомов в
полную плотность состояния в элементарных ячейках, оценены распределения плотности заряда электронов в ферромагнетиках Rb2NiF4 и CsNiF3;
-помощью вычисленных в рамках ТФП плотности намагничивания, оценки обменного взаимодействия между ориентациями спинов в гамильтониане модели ферромагнетика Гейзенберга определены все виды энергий, полный и орбитальный магнитные моменты, энергия полного магнитного момента всех атомов в ферромагнетиках Rb2NiF4 и CsNiF3;
-для спиновой динамики магнитных материалов Rb2NiF4 и CsNiF3 с помощью двух видов солитонных решений определены математические выражения ДСФ и ИИ, определены их величины, соответствующие разным условиям эксперимента, оценены ширина и энергия солитона.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты по квантово-механическому моделированию в рамках ТФП могут быть использованы при структурных исследованиях материалов рентгеноструктурными методами анализа, в анализе энергетических околопороговых тонких структур методами рентгеновского поглощения. Вычисленная плотность состояния элементарных ячеек ферромагнетиков Rb2NiF4 и CsNiF3 может служить для интерпретации ряда явлений квантово-механической природы.
Полученные теоретические выкладки по нелинейной локализованной динамике в исследованных системах могут быть использованы при вычислении ДСФ в экспериментах по неупругому рассеянию нейтронов. Вычисленные для ферромагнетиков Rb2NiF4 и CsNiF3 значения ДСФ и ИИ могут быть сравнены с данными экспериментов по неупругому рассеянию нейтронов при низких температурах на волнах солитонного типа.
Основные положения, выносимые на защиту:
-установленные различия плотностей электронов атомов одного и того же сорта в элементарных ячейках ферромагнетиков Rb2NiF4 и CsNiF3, мини-минимальные объмы элементарных ячеек и согласующиеся с экспериментом параметры решток;
-вычисленные методом полного потенциала линейной присоединнной
плоской волны (FP-LAPW) спин-орбитальные и спин-поляризованные связи,
энергетические зоны электронов в зависимости от точек зон Бриллюэна, плотность состояний отдельных атомов и общая плотность состояний в элементарных ячейках Rb2NiF4 и CsNiF3;
-установленные квантово-химическим моделированием в рамках ТФП зоны проводимости и запрещнные зоны ферромагнетиков Rb2NiF4 и CsNiF3;
-вычисленные с использованием двух видов солитонных решений величины ДСФ и ИИ, ширина и энергия солитона в гейзенберговских ферромагнетиках Rb2NiF4 и CsNiF3;
-хорошее согласие результатов по динамике нелинейных солитонных волн с теорией рассеяния нейтронов при малых переданных импульсах в многочастичных системах.
Степень достоверности. Теоретические исследования и вычислительные квантово-механические расчеты проводились на основе полевых моделей и теории функционала плотности с использованием современных лицензионных многоцелевых программных обеспечений WIEN2k и Abinit, визуа-лизационных и графических утилит, гарантирующих достоверность результатов исследования на уровне современных мировых стандартов в данной области науки.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: V Международной конференции «Современные проблемы физики» (Душанбе, Таджикистан, 18-19 ноября 2016); Международном симпозиуме по вычислительному материаловедению и биологическим наукам KSCMBS-2016 (Худжанд, Таджикистан, 24-27 сентября 2016); Международном симпозиуме по вычислительному материаловедению и биологическим наукам MSSMBS-2107 (Санкт- Петербург, Россия, 7-10 сентября 2017); Республиканской научно-практической конференции «Роль молоджи в развитии отечественной науки» (Душанбе, Академия наук Республики Таджикистан, 15 мая 2015); Международном симпозиуме «Границы в материаловедении FMS-2017» (Грейфс-вальд, Германия, 4-6 сентября 2017); Семинарах Физико-техничес-кого института им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан в течение 2015-2017
гг.; Семинарах Отдела материаловедения и инженерии университета Васеда
(Токио, Япония, 16 января и 18 декабря 2017,
).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, 7 из которых в журналах из Перечня ВАК РФ.
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении компьютерных расчетов и теоретических исследований, при анализе и обсуждении полученных результатов квантово-механического моделирования, подготовке материалов к публикации.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 112 листах машинописного текста и состоит из введения, трех глав и основных выводов. Диссертация содержит 52 рисунка и 8 таблиц. Библиографический список состоит из 116 источников.