Введение к работе
Актуальность темы исследования. Соединения с сильными электрон-электронными корреляциями представляют большой интерес для современной физики конденсированного состояния. К ним относят: оксиды переходных металлов, высокотемпературные сверхпроводники, системы с тяжёлыми фермионами и др. В данных соединениях на определённых электронных состояниях средние величины кинетической и локальной кулоновской энергий сравнимы. Поэтому при теоретическом описании электронных свойств сильнокоррелированных соединений необходимо использовать методы, которые корректно учитывают как кинетическую энергию, так и локальное кулоновское взаимодействие. Среди них можно выделить LDA+DMFT подход [1, 2], предложенный в 1997 г. Данный подход объединяет две теории: теорию функционала электронной плотности в приближении локальной электронной плотности (DFT/LDA) и теорию динамического среднего поля (DMFT). В рамках DFT/LDA расчёта находятся электронные свойства на основе знания химического состава и кристаллической структуры. Однако, для сильнокоррелированных электронных состояний (частично заполненных с! или f) DFT/LDA расчёт зачастую не полностью учитывает локальное кулоновское взаимодействие, поэтому оно дополнительно точно учитывается в рамках DMFT решения модели Хаббарда. На данный момент для достаточно большого количества сильнокоррелированных соединений LDA+DMFT подход успешно применяется для изучения их электронных свойств.
В LDA+DMFT подходе есть не вполне контролируемый внутренний параметр - так называемая поправка на двойной учёт. Она возникает из-за того, что LDA гамильтониан содержит часть локального кулоновского взаимодействия, в том числе для сильнокоррелированных электронных состояний, для которых затем локальное кулоновское взаимодействие точно учитывается в рамках DMFT. Поэтому необходимо вычитать величину переучтённой энергии локального кулоновского взаимодействия, которая и является поправкой на двойной учёт Е^с.
Проблема поправки на двойной учёт связана с тем, что пока не существует микроскопического выражения в терминах модели Хаббарда для вклада локального кулоновского взаимодействия уже учтённого в LDA, и наоборот.
В LDA+DMFT расчётах для поправки на двойной учёт применяются различные феноменологические выражения. К сожалению, при использовании данных выражений в LDA+DMFT расчётах полученные результаты не всегда корректно воспроизводят экспериментальные данные [3, 4], что вынуждает искать новые более точные способы исключения двойного учёта локального кулоновского взаимодействия при реализации LDA+DMFT подхода.
Степень разработанности темы исследования. На данный момент для вычисления поправки на двойной учёт существует как минимум 9 выражений, которые рассмотрены в тексте диссертации и представлены в работе [А1]. Данные выражения основываются на разных приближениях для взаимодействия Хаббарда или на свойствах внутренних характеристик DMFT. Применение большинства из существующих выражений для поправки на двойной учёт в LDA+DMFT расчётах некоторых соединений ни в одном из случаев не позволяет описать экспериментальные спектры (например см. работы [3, 4]). Для успешного описания экспериментальных спектров данных соединений в рамках LDA+DMFT подхода поправка на двойной учёт подбирается.
Цель работы: Сформулировать новый более корректный способ исключения двойного учёта локального кулоновского взаимодействия в LDA+DMFT подходе, и систематически изучить влияние величины поправки на двойной учёт на результаты LDA+DMFT расчётов.
Научная новизна:
Предложен новый более корректный способ исключения двойного учёта локального кулоновского взаимодействия в рамках LDA+DMFT подхода - LDA'+DMFT. Показана эффективность LDA'+DMFT подхода в сравнении с LDA+DMFT на примере характерных сильнокоррелированных соединений (MnO, СоО, NiO, ЭгУОз, Sr2RuOzi).
Для поправки на двойной учёт в хартриевском виде установлено, что при самосогласованном её вычислении LDA+DMFT и LDA'+DMFT расчёты дают лучшее согласие с экспериментальными данными по величине диэлектрической щели и положению пиков в спектрах, чем при её вычислении на основе результатов LDA расчёта.
Для нового сверхпроводника на основе железа Ko.76Fei.72Se2 проведён LDA'+DMFT расчёт. Получено согласие с фотоэмиссионным спектром с угловым разрешением.
В рамках LDA'+DMFT подхода впервые показано, что с увеличением дырочного легирования в соединение Кі_жРе2-у8е2 растёт роль корреляционных эффектов. Так же установлено, что величина корреляционной перенормировки LDA зон различна для разных квазичастичных зон, в отличие от однородной корреляционной перенормировки в аналогичных соединениях - арсенидах железа. Выявлено, что в соединении Кі_жГе2-у8е2 корреляционные эффекты проявляются сильнее, чем в соединениях арсенидов железа.
Систематически исследовано влияние величины поправки на двойной учёт на результаты LDA+DMFT расчётов модели Эмери, и установлены области существования диэлектрического решения с переносом заряда для модели Эмери (в зависимости от поправки на двойной учёт и параметров модели).
Предложено обобщение DMFT+Sk подхода на многозонный случай для описания псевдощелевого состояния высокотемпературных сверхпроводников на основе меди.
Теоретическая и практическая значимость работы. Предложенный в диссертационной работе LDA'+DMFT подход позволяет однозначным образом, без подгоночных параметров, рассчитывать электронную структуру сильнокоррелированных систем.
Рассчитан фотоэмиссионный спектр с угловым разрешением для сверхпроводника Ki_aiFe2-ySe2. Обнаружено, что корреляционные эффекты в данном соединение проявляются сильнее, чем в аналогичных соединениях - арсенидах железа.
Установленные области существования диэлектрического решения с переносом заряда для модели Эмери при различных значениях величины поправки на двойной учёт позволяют понять влияние её величины на результаты LDA I DMFT расчётов. Данные результаты можно использовать в последующих задачах, решаемых в рамках LDA+DMFT.
Методы исследования. В диссертационной работе применялись методы для изучения электронных свойств кристаллических тел: теория функционала электронной плотности в приближении локальной электронной плотности (DFT/LDA), теория динамического среднего поля (DMFT) и их объединение - LDA+DMFT. Для реализации данных методов использовались следующие программные пакеты: программа для LDA расчётов - TB-LMTO-ASA v.47 [5, б], разработанная O.K. Andersen; программа для LDA+DMFT(HF-QMC) расчётов, разработанная
А.И. Потеряевым; программа для DMFT(NRG) расчётов [7], разработанная Th. Pruschke; так же использовались компьютерные программы личной разработки.
Положения, выносимые на защиту:
1. Согласованный способ вычисления поправки на двойной учёт - LDA'+DMFT подход. В
LDA'+DMFT подходе более корректно исключается двойной учёт локального кулонов-ского взаимодействия, что позволило без подгоночных параметров получить правильное диэлектрическое решение для соединения NiO, по сравнению с LDA+DMFT подходом.
-
LDA+DMFT и LDA'+DMFT расчёты с поправкой на двойной учёт в хартриевском виде при самосогласованном её вычислении дают лучшее согласие с экспериментальными данными по величине запрещённой щели и положению пиков в спектрах, чем расчёты с поправкой на двойной учёт в хартриевском виде, вычисленной на основании результатов LDA расчёта.
-
Плотности состояний и спектральные функции LDA+DMFT и LDA'+DMFT расчётов нового сверхпроводника на основе железа Ko.76Fei.72Se2. В данном соединении на уровне Ферми плохо определены квазичастичные зоны, и корреляционные эффекты проявляются сильнее, чем в аналогичных соединениях - арсенидах железа.
-
С увеличением дырочного легирования от стехиометрического состава КТегЭег до состава Ko.76Fei.72Se2 растёт роль корреляционных эффектов. При этом разные квазичастичные зоны перенормируются взаимодействием по разному, что не наблюдалось ранее в LDA+DMFT расчётах аналогичных соединений - арсенидов железа.
-
Установленные в LDA+DMFT расчётах области существования диэлектрического решения с переносом заряда для модели Эмери в зависимости от величины поправки на двойной учёт при различных параметрах модели.
-
Обобщение DMFT+Sk подхода на многозонный случай для описания псевдощелевого состояния высокотемпературных сверхпроводников на основе меди с учётом нелегированного состояния (диэлектрика с переносом заряда). Плотности состояний, спектральные функции и поверхности Ферми для высокотемпературного сверхпроводника Nc^-iKCe-cCuOzi,
полученные в LDA+DMFT+Sk расчёте.
Достоверность. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается применением широко апробированных методов для изучения электронной структуры сильнокоррелированных соединений, обоснованным выбором физических приближений, а так же согласием результатов работы с результатами других авторов и данными экспериментов (где это возможно).
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XLV, XLVI, XLVII Школа по физике конденсированного состояния ПИЯФ РАН, г. Гатчина (2011, 2012, 2013); 17 Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных ВНКСФ-17, г. Екатеринбург (2011); Международная зимняя школа физиков-теоретиков "Коуровка" XXXIII и XXXIV, г. Екатеринбург (2010, 2012); XI, XIII Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества, г. Екатеринбург (2010, 2012); XIV Школа молодых учёных "Актуальные проблемы физики", г. Звенигород (2012); V.V. Nemoshkalenko Memorial Conference and Workshop "Electronic Structure and Electron Spectroscopies", г. Киев (2013); Trilateral workshop on Hot Topics in HTSC: Fe-Based Superconductors, г. Звенигород (2013).
