Введение к работе
Актуальность темы.
Техническое развитие общества требует постоянного обновления материалов, одним из источников которого в настоящее время являются неупорядоченные сплавы. Можно привести многочисленные примеры, когда после разупорядочения свойства соединений (в частности, магнитные) кардинально менялись. Для объяснения и прогнозирования этих изменений необходимо развитие теории неупорядоченных систем.
Смещение фокуса интересов физики конденсированных систем в этом направлении произошло в 70-е годы. Несмотря на длительный путь развития, решение этой проблемы сегодня далеко от своего завершения. Традиционно используемые одноузельвые методы, в том числе и самосогласованные, во многих случаях не могут объяснить, даже качественно, закономерностей изменений физических величин. Для их описания требуется учет флуктуации конфигураций атомов ближайшего окружения и учет пространственных корреляций в расположении атомов.
Все этапы развития теории, начиная с одной примеси, связаны, прежде всего, с объяснением электронных явлений. Потеря трансляционной инвариантности в неупорядоченных системах -основное отличие их от идеальных. Успех одноузельных приближений связан, в основном, с восстановлением симметрии или однородности. Учет флуктуации и пространственных корреляций в неупорядоченных системах возвращает нас на позиции, где сталкиваются локализованный характер описания расположения атомов и волновой характер описания квазичастиц и где для решения-проблемы необходимо учитывать большое и в пределе бесконечное число атомов.
В связи с вышеперечисленным, возникает задача создания теории, способной учитывать особенности этих описаний и позволяющей проводить расчеты физических величин.
Целью работы явилось:
построение теоретических методов, которые способны учитывать флуктуации в расположении атомов;
исследование энергетического спектра квазичастиц при на-
личии флуктуации и корреляций в расположении атомов разных сорюв;
исследование роли флуктуации атомного окружения в формировании магнитных свойств неупорядоченных сплавов с локализованными магнитными моментами;
исследование роли флуктуации атомного окружения в формировании магнитных свойства неупорядоченных магнетиков с коллективизированными электронами.
Научная новизна.
В работе развивается теория неупорядоченных систем, которая позволяет выйти за пределы одноцентрового приближения и учесть флуктуации атомных конфигураций ближайшего окружения как в случае независимого распределения атомов, так и в случае коррелированного в пространстве беспорядка. При этом контролируются поправки к сделанным приближениям. С учетом флуктуации ближайшего атомного окружения рассчитываются энергетический спектр квазичастиц, магнитные характеристики спиновых систем (диэлектрики с немагнитными примесями) и систем с магнетизмом коллективизированных электронов (сплавы переходный металл-металлоид). На основе теоретического анализа показана определяющая роль характеристик ближайшего атомного окружения в формировании структуры энергетических спектров квазичастиц (электронов, магнонов), локальных магнитных моментов и термодинамических возбуждений.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
На основе представления случайной'величины через оператор, действующий во вспомогательном пространстве, и проекционного формализма получено выражение усредненной функции Грина, как с корреляциями, так без корреляций между случайными величинами.
Предложены приближения, из которых как частные случаи, следуют хорошо известные самосогласованные приближения когерентного потенциала и блуждающего кластера. Проведен ана-
лиз поправок на языке диаграммных рядов эдвардсовского типа.
Все выражения, полученные в рамках предложенных приближений, обладают правильными аналитическими свойствами. В случае коррелированных случайных величин при стремлении значений параметра Каули к критическим они переходят в соответ-свующие выражения для функций Грина упорядоченных кристаллов.
Впервые рассчитан энергетический спектр квазичастиц с учетом рассеяния на кластерах из четырех узлов. Результаты хорошо согласуются со спектром неупорядоченной системы конечного размера.
Численный анализ приближений и поправок к ним для усредненной и частично усредненной функций Грина позволил сформулировать наиболее эффективные и экономичные методы учета флуктуации примесей.
Предложены методы учета пространственных корреляций ближайшего окружения немагнитных атомов в спиновых системах. С их помощью из микроскопических самосогласованных расчетов впервые получено аналитическое выражение концентрационной зависимости жесткости спиновых волн и критических показателей вблизи перколяции.
Из микроскопических расчетов модели Гейзенберга с немагнитными примесями определен температурный интервал, где закон Блоха для намагниченности меняет свою зависимость на более плавную. Определены интервалы энергии спиновых возбуждений, внутри которых они локализованы.
Показано, что флуктуации атомных конфигураций ближайшего окружения играют определяющую роль при формировании магнитных свойств в неупорядоченных сплавах типа металл-метаялоид. Это оправдывает использование модели Джаккарино-Уолкера для интерпретации экспериментальных данных.
Флуктуации атомных конфигураций в неупорядоченных сплавах вблизи критической концентрации ответственны за формирование магнитной структуры типа спинового стекла Маттиса.
- В неупорядоченных сплавах типа металл-металлоид вбли
зи критической концентрации термодинамические возбуждения
электронов дают существенный вклад в температурную зависимость намагниченности, обеспечивая, в частности, увеличение намагниченности при повышении температуры.
- Исследования показали, что при малых концентрациях немагнитных примесей поведение температуры Кюри полностью обусловлено особенностями магнетизма коллективизированных электронов. Вклад флуктуации локальных магнитных моментов в зависимость Тс различен при разных концентрациях. Это не позволяет использовать сшшовые модели Гейзенберга и Изинга при описании концентрационной зависимости магнитных характеристик неупорядоченных сплавов типа металл - металлоид даже при низких концентрациях атомов металлоида.
Научная и практическая значимость диссертации определяется прежде всего тем, что ее положения и выводы вносят вклад в развитие физических представлений об особенностях формирования энергетических спектров, магнитных характеристик неупорядоченных систем в зависимости от характеристик ближайшего атомного окружения.
Полученные теоретические результаты объясняют большое количество экспериментальных данных и стимулируют постановку новых экспериментов.
Теоретические исследования позволили обосновать простые и надежные методы интерпретации экспериментальных данных для неупорядоченных сплавов металл-металлоид. В результате исследований магнитных характеристик и термодинамических возбуждений предлагается новое объяснение ряда явлений в области концентраций, близких к критическим, в неупорядоченных сплавах переходный металл-металлоид.
Расчеты энергетических спектров модельных гамильтонианов позволяют сравнить и отобрать схемы, наиболее эффективные для расчетов спектров реальных неупорядоченных систем.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на: Всесоюзный семинар "Магнитные фазовые переходы и критические явления". Махачкала, сентябрь 1989. Международный семинар "Численные методы в электронной теории твердых тел". Свердловск, октябрь 1991. 37 ежегодная конференция по магнетизму и магнитным материалам. Хьюстон, Техас, США, декабрь 1992. I Российская Университетско-Академическая конференция. Ижевск, 1993.
Конференция МММ - Интермаг. Альбукерке , США, июнь 1994. Вторая Российская Университетско-Академическая научно-практическая конференция. Ижевск, апрель 1995.
Школа-симпозиум по магнетизму в неупорядоченных системах. Триест, Италия, июль 1995.
Международная конференция "Магнетизм коллективизированных электронов". Ялта, Украина, сентябрь 1995.
Европейская конференция "Физика магнетизма". Познань, Польша, июнь 1996.
III Российская Университетско-Академическая конференция. Ижевск, апрель 1997.
Всероссийская школа-симпозиум "Коуровка-90", "Коуровка-92", "Коуровка-96".
Проблемный совет по магнетизму при Академии Наук России. Семинары в МГУ им.М.В.Ломоносова, в Институте физики металлов УрО РАН, в Физико-техническом институте УрО РАН.
Публикации. Результаты работы вошли в 26 публикаций. Основные результаты содержатся в 20 публикациях, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 174 наименований. Общий объем работы составляет 20S страниц, в т.ч. рисунков 54, таблиц 3.