Четвертая Всероссийская научная конференция «Омские научные чтения - 2020» - Физика

ПЕРВОПРИНЦИПНЫЕ РАСЧЁТЫ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МОНОАКСИАЛЬНОГО ГЕЛИМАГНЕТИКА AB INITIO CALCULATIONS OF MAGNETIC PROPERTIES OF A MONOAXIAL HELIMAGNET

Евсин Д. В., Прудников П. В., Мамонова М. В.

Аннотация

ПЕРВОПРИНЦИПНЫЕ РАСЧЁТЫ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МОНОАКСИАЛЬНОГО ГЕЛИМАГНЕТИКА

AB INITIO CALCULATIONS OF MAGNETIC PROPERTIES OF
A MONOAXIAL HELIMAGNET

Д.В. Евсин¹, П.В. Прудников¹, М.В. Мамонова¹

¹D.V. Evsin, P.V. Prudnikov¹, M.V. Mamonova¹

¹Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского

¹F.M. Dostoevsky Omsk State University

Аннотация. В данной работе проводилось исследование магнитных свойств одноосного кирального гелимагнетика CrNb₃S₆ путём проведения первопринципных расчётов. Первопринципные расчёты позволяют вычислить значения магнитных моментов атомов системы и константы обменного взаимодействия.

Abstract. In this work the magnetic properties of monoaxial chiral helimagnet CrNb₃S₆ have been investigated ab initio calculations. Ab initio calculations allows one to calculate the values of magnetic moments and exchange coupling parameters.

Ключевые слова: киральность, одноосный гелимагнетик.

Keywords: chirality , monoaxial helimagnet.

Концепция киральности подразумевает лево- или правовинтовую направленность, играющую существенную роль в симметрийных свойствах природы [1]. Киральные структуры иногда приводят к появлению интересных особеностей, таких как настраиваемый оптический отклик в киральных нематических жидких кристаллах. Причиной таких явлений являются специфические физические процессы, которые обусловливаются самостоятельным распределением электронов по киральной структуре атомных конфигураций и комбинацией их вращательного и поступательного движений. В магнитных кристаллах, принадлежащих к киральной пространственной группе, например, MnSi, Fe_1-xCo_xSi, CrNb₃S₆ и молекулярные магниты, орбитали движения локализованных электронов со спиновыми магнитными моментами проходят геликоидальным образом в киральной структуре атомов и связывают соседние спины посредством релятивистского спин-орбитального взаимодействия, названного взаимо-действием Дзялошинского-Мория [2].

В данной работе проводились расчёты магнитных свойств одноосного кирального гелимагнетика CrNb₃S₆ первопринципными методами. Использовался пакет SPR-KKR (Spin-polarized Relativistic Korringa-Kohn-Rostoker), который позволяет выполнять расчёты электронной структуры трёхмерных периодически упорядоченных систем с химическим беспорядком в рамках методов KKR в приближении когерентного потенциала и проводить вычисления в скалярно-релятивистском режиме, что даёт возможность учитывать спин-поляризованные системы, в том числе неколлинеарные спиновые структуры и спиновые спирали. [3,4] В основе метода KKR лежит формализм функции Грина, который позволяет в рамках теории многочастичного рассеяния, выразить значения таких физических величин, как зарядовая и спиновая плотности, спиновый и орбитальный магнитные моменты через функции Грина.

Для подтверждения нахождения системы в гелимагнитном состоянии был проведён расчёт по нахождению самосогласованных функций (Self-Consistent Functions) [5], позволяющих получить значения потенциалов и описать магнитные свойства системы. Кристаллическая структура исследуемой системы CrNb₃S₆ представлена на рис.1, в расчётах использовалась 20-ти атомная суперъячейка.

Рис. 1. Кристаллическая структура системы CrNb₃S₆. Чёрным цветом обозначены атомы хрома, серым цветом атомы необия, жёлтым – серы. Изображение получено в средстве визуализации кристаллических структур VESTA.

Таблица 1. Значение магнитных моментов атомов системы.

В таблице 1 представлены вычисленные магнитные моменты атомов системы. В зависимости от расположения в узлах кристаллической решетки в системе использовалось 4 вида атомов. Отрицательное значение спинового магнитного момента указывает на антиферромагнитный характер взаимодействия в структуре.

Рис. 2. Зависимость параметров обменного взаимодействия для атомов хрома от расстояния между атомами в единицах постоянной решетки.

На основании полученных значений потенциалов были рассчитаны следующие значения констант обменного взаимодействия атомов хрома (рис.2): для ближайших (на расстоянии r / a = 1) соседей J₁ = 2.794 мэВ, для следующих за ближайшими (на расстоянии r / a = 1.202) J₂ = -1.127 мэВ, где постоянная решетки а = 10.84892 а.е. . Полученные положительные и отрицательные значения говорят об антиферромагнитной природе взаимодействия атомов хрома в исследуемой структуре.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, проект № 20-32-70189, Минобрнауки РФ (соглашение 0741-2020-0002) и гранта МД-2229.2020.2 Президента РФ. Для проведения расчетов были использованы вычислительные ресурсы ЦКП « Центр данных ДВО РАН » [6], Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН, Суперкомпьютерного центра МГУ им. М.В. Ломоносова.

Список литературы:

1.            Togawa Y., Kousaka Y., Inoue K., Kishine J.I. Symmetry, Structure, and Dynamics of Monoaxial Chiral Magnets // J. Phys. Soc. Jpn. 2016. V. 85. P. 1394 - 1401. 112001.

2.            Togawa Y., Koyama T., Takayanagi K., Mori S., Kousaka Y., Akimitsu J., Nishihara S., Inoue K, Ovchinnikov A.S., Kishine J. Chiral Magnetic Soliton Latticeon a Chiral Helimagnet // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108. 107202.

3.            Загребин М.А., Соколовский В.В. Вычисление электронных и магнитных свойств твердых тел с помощью первопринципного пакета SPRKKR. Общие сведения. Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2018.

4.            Ebert H., Kodderitzsch D., Minar J. Calculating condensed matter properties using the KKR-Green’s function method-recent developments and applications. // Rep. Prog. Phys. 2011. V. 74. P. 096501.

5.            Ebert H. Magneto-optical effects in transition metal systems. // Rep. Prog. Phys. 1996. V. 59. P. 1665–1735.

6.            Sorokin A. A., Makogonov S. V., Korolev S. P. The Information Infrastructure for Collective Scientific Work in the Far East of Russia // Sci. Tech. Inf. Proc. 2017. V. 44. № 4. P. 302–304.

Сведения об авторах:

Евсин Дмитрий Владимирович – аспирант кафедры теоретической физики ОмГУ,
e-mail: evsindv@stud.omsu.ru

Прудников Павел Владимирович – доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры теоретической физики ОмГУ, e-mail: prudnikov_pavel@mail.ru.

Мамонова Марина Владимировна – кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической физики ОмГУ, e-mail: mamonova_mv@mail.ru

Комментарии

Комментарии отсутствуют

Вопросы по докладу

Вопросы отсутствуют