Билеты по физике

Сплавы магнитных переходных металлов.

В последние годы интенсивно изучали электронную структуру и разнообразие физических свойств сплавов переходных металлов. Для изучения магнитных свойств сплавов переходных металлов очень полезным оказался метод рассеяния медленных нейтронов. Исследование упругого и неупругого рассеяния медленных нейтронов в сплавах позволяет получить уникальную информацию о магнитных моментах и форм-факторах, а также об изменении спин-волновой жесткости.

Небходимо отметить, что нейтронные исследования распределения магнитного момента в магнитных сплавах и изменение спин-волновой жесткости во многом стимулировали развитие современных методов расчета электронной структуры неупорядоченных сплавов, которые чрезвычайно полезны для решения многих задач физики твердого тела. К ним относят широко теперь известный метод когерентного потенциала [160].

Модель Хаббарда окозалась очень полезной для описания многих электронных и магнитных свойств сплавов переходных металлов и успешно применяется в большом количестве работ. При описании неупорядоченных сплавов с помощью модели Хаббарда вводятся случайные параметры, поэтому говорят о модели Хаббарда со случайными параметрами.

Перейдем к ее описанию. Предполагается, что взаимодействие электронов в бинарном неупорядоченном сплаве из двух магнитных компонент описывается следующим модельным гамильтонианом:

(69).

Здесь, как и в (11), , — операторы уничтожения и рождения электронов Ванье в узле i со спином ?. Считается, что интегралы перескока одинаковы для обоих сортов атомов, А и В, т. е.; зонная структура чистых компонент, А и В в отсутствие кулоновского взаимодействия одинаковая. Величины и — одночастичный потенциал и внутриатомное кулоновское взаимодействие соответственно:

(70).

Для неупорядоченного сплава величины и принимают случайные значения в зависимости от того, заполнен ли узел атомом, А или В.

Гамильтониан (69) исследовали многие авторы в различных предельных случаях. Если предположим, что какая-либо из компонент сплава (например, В) состоит из немагнитных атомов, то можно положить параметр. Этот случай соответствует модели Вольфа [161, 162]. Если положим в (69), получим модельный гамильтониан, который рядом авторов [163, 164] был использован для теоретического описания сплава Pd-Ni. Случай, когда, рассмотрен Лютером и Фульде [165] для анализа рассеяния парамагнонов на примесях; Ямада и Шимицу [166] рассчитали спин-волновой спектр. Мория {167] детально исследовал электронную структуру вблизи магнитной примеси () в немагнитной матрице () и рассчитал целый ряд физических характеристик примесной системы. Взаимодействие между примесями было рассмотрено в [168]. Все упомянутые работы [161−168] ограничены приближением сильно разбавленного сплава.

Метод когерентного потенциала [160] позволяет рассматривать сплав с конечной концентрацией примесей. Можно выделить два направления работ, использующих метод когерентного потенциала для описания неупорядоченных сплавов.

Начало первому направлению положила работа [169]. В ней была дана теоретическая интерпретация зависимости от концентрации средней намагниченности, атомных моментов компонент и электронной теплоемкости для сплава NicFe1-c. К этому направлению примыкают работы [170−174].

Подход Хасегава и Канамори (ХК) основан на использовании приближения Хартри-Фока для описания внутриатомной кулоновской корреляции. В этом случае гамильтониан (69) записывался в следующем виде [169]:

(71).

где.

(71а).

таким образом, неупорядоченность, описываемая в рамках приближения когерентного потенциала, характеризуется двумя параметрами и. Средние числа заполнения в (71а), которые различаются для разных компонент сплава (или, i? A, или В), должно определяться самосогласованным образом. Последнее обстоятельство приводит к тому, что не каждая элементарная ячейка является электрононейтральной и может иметь место перенос конечного заряда.

Для одночастичного гамильтониана (71) применима стандартная схема метода когерентного потенциала, которую здесь опишем, следуя обозначениям работы [160]. В методе когерентного потенциала (СРА) рассматривается одноэлектронный гамильтониан следующего вида:

(72).

Здесь W — периодическая часть; D — сумма случайных вкладов, каждый из которых связан с одним узлом. Одноэлектронные свойства сплава вычисляются как средние по ансамблю по всем возможным конфигурациям атомов в решетке. Обычно рассматривают усредненную подобным образом одноэлектронную функцию Грина G (z):

(73).

Определим Т-матрицу для данной конфигурации сплава с помощью уравнения.

(74).

Тогда функциональное уравнение для определения неизвестного оператора? будет задаваться условием.

(75).

Уравнение (75) является самосогласованным определением оператора ?.

Полагая, что.

(76).

можно ввести локальный оператор рассеяния.

(77).

С помощью оператора Tn эффективная среда, характеризуемая оператором ?, заменяется рассеянием на реальном атоме в данном узле n. В методе когерентного потенциала общее условие самосогласования (75) заменяется его одноузельным приближением.

(78).

таким образом, при этом подходе примесь считается находящейся в эффективной среде, функция Грина которой подбирается так, чтобы Т-матрица рассеяния на примеси в среднем была равна нулю. При этом будем пренебрегать рассеянием парами атомов и более крупными кластерами. Метод когерентного потенциала точен в атомном пределе, когда перескоки электронов с узла на узел очень маловероятны. Сравнение приближений виртуального кристалла, средней Т-матрицы и когерентного потенциала, проведенное в [175], показало, что метод когерентного потенциала не хуже аппроксимации виртуального кристалла.

В методе когерентного потенциала усредненная функция Грина неупорядоченной системы получается из функции Грина для идеальной решетки заменой энергии на комплексную величину. Аналитические свойства величин, вычисляемых в одноузельном приближении когерентного потенциала, нетривиальны; функция Грина аналитична всюду, кроме линий разрезов, соответствующих примесной зоне и зоне основного кристалла.

Существенно, что в методе когерентного потенциала эффект рассеяния электронов вследствие неупорядоченности описывается комплексной величиной, а именно когерентным потенциалом. С точки зрения квантовой механики в этом нет ничего необычного. Напомним, что при многократном рассеянии волны на произвольном ансамбле рассеивателей вводится усредненная по ансамблю волновая функция, а потенциал в уравнении Шредингера становится комплексным [176]. Мнимая часть потенциала описывает поглощение вследствие рассеяния.

Основная характеристика спектра возбуждений системы есть плотность состояний на единицу энергии D (?). Она определяется мнимой частью функции Грина =GCPA. На основе одночастичной плотности состояний с помощью метода когерентного потенциала можно хорошо описать поведение параметра асферичности? для сплавов Ni, Fe и Co [177].

Параметр асферичности является важной характеристикой, экспериментально измеряемой с помощью рассеяния медленных нейтронов и определяется следующим соотношением:

g/? (79).

где? eg — магнитный элемент, определяемый электронами в состояниях egтипа,? — полный спиновый магнитный момент.

Эксперименты по рассеянию нейтронов показывают, что измеряемые значения? в зависимости от? очень точно укладываются на прямую линию практически для всех сплавов Ni, Fe и Co. Т. е.

? = а +bm (80).

Только для чистого Ni это не выполняется; gNi значительно меньше величины, следующей из (80). Возможной причиной такого отклонения для чистого Ni может быть либо влияние корреляции электронов, либо специфика одно-частичного поведения системы. В [177] были рассмотрены только одно-частичные свойства системы в подходе Хасегава и Канамори (71) и показано, что для расчета параметра асферичности влияние корреляции не очень существенно. Как и в [169], рассматривалась область концентраций сплава при 0? с? 0,5. Хасегава и Канамори с помощью метода когерентного потенциала вычислили магнитный момент m и локальные моменты m (Ni) и m (Fe). Их результаты хорошо согласуются с экспериментом. Однако, надо заметить, что они использовали не реальную плотность состояний, а сильно идеализированную функцию и проблема решалась с использованием многих свободных параметров.

В [177] впервые была использована реальная теоретическая плотность состояний [51, 178] для расчета параметра асферичности g Для точного расчета g необходимо было отдельно учесть egи t2g — состояния. Получить такие раздельные плотности весьма сложно из-за сильной гибридизации этих состояний. В [177] использовано то обстоятельство, что в точках и на линиях высокой симметрии, где гибридизация отсутствует, волновые функции можно отождествить с egи t2g — состояниями. Предполагалось, что количественно поведение волновых функций не сильно изменяется при переходе к другим точкам. Используемая теоретическая плотность состояний состоит из шести подзон, две из них связаны с s-электронами, а остальные четыре имеют в указанных точках и на линиях высокой симметрии поведение плотности состояний электронов в t2g и eg-состояниях. Поэтому можно предположить приближённое разделение плотности состояний на составляющие для t2g и eg- - электронов.

В методе когерентного потенциала, выражение для плотности состояний в сплаве имеет вид [177].

(?) = - Im (?), (81).

где.

=; (82).

?i — когерентный потенциал, определяемый из уравнения.

?i = х? + ?i (? — ?i) (?) (83).

? описывает сдвиг между атомными уровнями Fe b Ni. В [169] этот параметр очень сильно зависит от спина (?/?=5,6) и от концентрации. В [177], напротив, предполагалось, что? практически не зависит от этих величин, чтобы последовательно провести учёт одно-частичных свойств модели. Решение задачи удаётся провести без использования свободных параметров. Были вычислены плотность состояний (?) и локальные плотности и для i = t2g и различных концентраций. Полученный на основе этих результатов для параметр асферичности? показан на рис. 11. согласие с экпериментом хорошее.

Интересно отметить, что результаты для вычисленных Эльком значений ?, ?(Ni) и? (Fe) оказываются хуже, чем в работе Хасегава и Канамори. Возможной причиной этого может быть влияние корреляций на значение ?, для описания которой в [169] использовали дополнительные свободные параметры. В то же время, как видно на рисунке 11 поведение параметра асферичности хорошо объясняется уже на основе одно-частичной плотности состояний оптимально приближённой к реальной. Дальнейшее обсуждение подхода Хасагава -Канамори дано в [179].

Другое направление описания неупорядоченных сплавов с помощью гамильтониана (69) развивалось в [180−181]; конкретно [180] рассматривался сплав Pd-Ni. Подробно проанализировал различие этих двух подходов Фукуяма. [162, 174]. Он показал, что в подходе Харриса-Цукермана [180] основное внимание сосредотачивается на динамических эффектах кулоновского взаимодействия, а пространственным изменением потенциала пренебрегается. Поэтому такие одно-частичные величины, как локальная плотность состояний, являются пространственно однородными, за исключением возможного существования виртуально связанных состояний. Схема является самосогласованной, если имеет место равенство … в управлении (69); в этом случае возможно, в отличие от (71) учесть некоторые процессы элекрон-дырочного рассеяния более высокого порядка.

Различие между подходами Хосегава-Канамори [169, 173, 179] и Харриса-Цукермана [180] наиболее заметно проявляется при рассмотрении коллективных эффектов, в частности, при вычислении спиновой восприимчивости. Это связанно с тем, что при построении теории электронных и магнитных свойств неупорядоченных сплавов описывающихся гамильтонианом (69), необходимо учитывать случайное расположение атомов компонент на решётке и влияния кулоновской корреляции электронов на электронную структуру и физические свойства. Если, как мы видели выше, одно-частичные характеристики сплавов (например, параметр асферичности ?) слабо зависит от корреляционных эффектов. То, для коллективных свойств правильный учёт корреляции более существен.