Введение к работе
Актуальность темы. В современной физике конденсированного состояния вещества одним из наиболее динамично развивающихся направлений является исследование физических свойств реальных соединений с сильными электронными корреляциями Интерес к данным соединениям обусловлен необычными физическими свойствами, обнаруженными экспериментально и представляющими возможности для создания уникальных материалов и приборов на их основе Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что влияние сильных электронных корреляций является существенным в формировании эффектов высокотемпературной сверхпроводимости, гигантского маг-нетосопротивления, тяжелофермионного поведения, спинового и орбитального упорядочений и многих других С микроскопической точки зрения необычные физические свойства соединений с сильными электронными корреляциями определяются преобладанием средней энергии кулоновского взаимодействия валентных электронов над их кинетической энергией В результате такого соотношения энергий электроны перестают быть коллективизированными, как в металле, и становятся локализованными на определенных электронных орбиталях, так может возникать диэлектрическое состояние соединения Особый интерес представляет переход электронной подсистемы из металлического состояния в диэлектрическое, получивший название переход металл-диэлектрик Такие переходы разнообразны по своей природе и задействованным магнитным состояниям и сопровождаются существенными изменениями физических свойств соединений
В данной диссертационной работе представлены результаты исследования влияния электронных корреляций на электронную структуру в различных классах соединений с сильными динамическими кулоновскими корреляциями В таких соединениях присутствуют сильные флуктуации между атомными конфигураци-
ями, поэтому необходимо учитывать динамику коррелированных электронов во времени Для этого применяется метод теории динамического среднего поля (DMFT1) Для изучения реальных соединений данный метод реализуется в рамках вычислительной схемы LDA2-f DMFT, в которой слабо коррелированные электроны рассматриваются в рамках приближения LDA, а сильно коррелированные электроны описываются в DMFT
Цель работы. Целью данной работы является расширение области применения метода теории динамического среднего поля для исследования эффекта сильных электронных корреляций в соединениях, в которых реализуется парамагнитное металлическое или диэлектрическое состояние, а также переход металл-диэлектрик В качестве объектов исследования были выбраны следующие системы Соединение L1V2O4 - оксидное соединение Зй-металла, проявляющее свойства системы с тяжелыми ферми-онами Диэлектрик с переносом заряда NiO и легированная система LixNii_zO Мотт-хаббардовский диэлектрик РегОз, в котором парамагнитное металлическое состояние реализуется при давлении более 50 ГПа, что является прототипом магнитного состояния сжатого вещества планет В качестве последней системы был выбран гидрид лантана ЬаНз-ж, в котором при концентрации водорода х > 0 3 происходит переход из диэлектрического в металлическое парамагнитное состояние
Основные положения, выносимые на защиту;
В L1V2O4 при низких температурах усиление эффективно] массы электронов с образованием острого квазичаетичног' пика на уровне Ферми может быть объяснено усилением элек тронных корреляций в одной из Зй-орбиталей иона ванадия в то время как гибридизация данной орбитали с остальны ми Згі-состояниями иона ванадия не оказывает значительног влияния на формирование квазичастичного пика
XDMFT - Dynamical Mean-Field Theory - теория динамического среднего поля
2LDA - Local Density Approximation - приближение локальной электронной плотности
Учет кислородных состояний в расчетах электронной структуры методом теории динамического среднего поля диэлектрика с переносом заряда NiO позволяет описать экспериментальные особенности фотоэмиссионных спектров NiO и Li^Nii^O
Предложен сценарий перехода в соединении РегОз из высоко-спинозой диэлектрической в низкоспиновую металлическую фазу при изменении давления Показано, что в РегОз движущей силой перехода металл-диэлектрик является изменение соотношения величин ширины коррелированной зоны и параметра кулоновского взаимодействия в частично заполненной І25-подзоне, изменение кристаллической структуры не оказывает сильного влияния на металлическое состояние
В системе ЬаНз-ж переход металл-диэлектрик при изменении концентрации водорода определяется сильными кулоновски-ми корреляциями в частично заполненной вакансионной зоне, появляющейся при отклонении от стехиометрии у дна зоны проводимости
Научная новизна. Впервые в рамках LDA+DMFT схемы с помощью метода проективного квантового Монте-Карло рассчитаны спектральные функции для системы L1V2O4 в пределе ноля температур При включении в рассмотрение кислородных состояний в диэлектрике с переносом заряда NiO получено правильное описание фотоэмиссионного спектра В мотт-хаббардовском диэлектрике РегОз получено парамагнитное металлическое состояние для кристаллической структуры, соответствующей давлению более 50 ГПа Для гидрида лантана расчеты электронной структуры методом LDA+DMFT подтверждают мотт-хаббардовский механизм перехода металл-диэлектрик в вакансионной подзоне, появляющейся при уменьшении концентрации водорода
Научная и практическая значимость работы. Метод теории динамического среднего поля позволяет описать металлическое парамагнитное состояние и переход металл-диэлектрик в различных системах на основании предложенного механизма формирования квазичастичных состояний вблизи уровня Ферми для L1V2O4 получено достоверное описание последних фотоэмиссионных данных, для гидрида лантана предложен мотт-хаббардовский механизм перехода металл-диэлектрик, основанный на сильных кулоновских корреляциях в вакан-сионной подзоне, воспроизведен переход от металлического к диэлектрическому состоянию при изменении концентрации водорода Возможно использовать метод DMFT и полученные в данной работе результаты для проектирования приборов, основывающихся на переходе металл-диэлектрик, который контролируется внешним магнитным полем, давлением, изменением концентрации компонент системы или другими способами
Достоверность. Достоверность представленных результатов обеспечивается применением проверенных и широко апробированных методов расчета электронной структуры, обоснованным выбором физических приближений и согласием рассчитанны: физических характеристик с экспериментальными данными
Личный вклад автора. Автором проведены расчеты элек тронной структуры и построения гамильтонианов малой размер ности, модифицированы методы решения примесной задачи дл исследования рассмотренных соединений в рамках метода теори динамического среднего поля Совместно с научным руководи телем автор участвовал в постановке физических задач, выбор методов их решения, в обсуждении и интерпретации полученны результатов
Апробация работы. Основные положения диссертации и ог дельные ее результаты докладывались на XII всероссийско научной конференции студентов-физиков и молодых учены
ВНКСФ-12 (г Новосибирск, 2006 г), Евразийском симпозиуме по магнетизму "Магнетизм на наноразмерах" Eastmag-2007 (г Казань, 2007 г), Международном семинаре по первопринципным расчетам коррелированных электронов (г Токио, Япония, 2006 г), семинарах и коллоквиумах Института корреляций и магнетизма (г Аугсбург, Германия) и Института теоретической физики (г Цюрих, Швейцария)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть работ, список которых приводится в конце автореферата
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 121 страницу машинописного текста, в том числе 22 рисунка и 1 таблицу Список литературы включает 166 наименований
