Skip to main content
SUPERVISOR
Mojtaba Alaei,Farhad Shahbazi
مجتبی اعلائی (استاد راهنما) فرهاد شهبازی دستجرده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammad Amirabbasi
محمد امیرعباسی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394

TITLE

First-principle investigation of magnetic properties and different terms of spin Hamiltonian of 3d pyrochlores
In this thesis, magnetic and critical properties of 3d pyrochlores such as FeF 3 , Y 2 Mn 2 O 7 and NaCaNi 2 F 7 are investigated. For each of these materials, spin Hamiltonian has obtained through ab initio calculations in the framework of Density Functional Theory. Using this Hamiltonian, the critical and Curie-Weiss temperature, as well as magnetic order, are investigated by Monte Carlo simulations. We obtain spin Hamiltonian of FeF3 under the relative volume change with respect to the experimental volume ( ) from -0.2 to 0.2. We show that the spin system undergoes a weakly first-order transition to AIAO at small volumes that turn to a second-order transition close to the experimental structure. However, increasing to ~ 0.2, system shows a transition to a modular spin structure. In the following, we have investigated Y 2 Mn 2 O 7 magnetic properties. There is a discrepancy between the experimental results for the magnetic ground state of Y 2 Mn 2 O 7 . We resolve this issue by employing density functional theory calculations and Monte Carlo simulations. We derive different spin models by varying the Hubbard parameter in ab initio GGA+ U calculations. By comparing Monte Carlo simulations of these models with the experiments, we find a ferromagnetic ground state for Y 2 Mn 2 O 7 as the most compatible with experiments. We also consider Y 2 Mo 2 O 7 as a prototype of the defect-free pyrochlore system with spin-glass behavior and compare it with Y 2 Mn 2 O 7 . Our GGA+ U calculations reveal d orbital degrees of freedom for Y 2 Mo 2 O 7 and a fixed orbital orientation in Y 2 Mn 2 O 7 . Finally, the ground state magnetic properties of NaCaNi 2 F 7 pyrochlore has been determined. It is found that different Na-Ca distributions can change magnetic symmetry of Ni ions in such a way that there are different exchange parameters for each Na-Ca distributions. Dzyaloshinskii-Moriya coupling constant is indirect which means that the ground state has global degeneracy. We have shown that the elastic neutron scattering has different patterns at low temperatures which indicate the ground state is spin-glass.
پایروکلرهای مغناطیسی به علت داشتن شبکه هندسی متشکل از چهاروجهی­های از گوشه مشترک در حضور برهمکنش پادفرومغناطیس همسایه نزدیک خواص نامتعارف و عجیب از خود نشان می­دهند. شکل گیری حالت پایه با نظم بلند برد در این مواد به علت ناکامی ناشی از هندسه شبکه سرکوب می­شود. در این رساله خواص مغناطیسی و بحرانی سه پایروکلر متفاوت متشکل از یون­های مغناطیسی اوربیتالd 3 شاملY 2 Mn 2 O 7 ، FeF 3 و NaCaNi 2 F 7 مورد بررسی قرار گرفته­اند. برای هرکدام از این مواد، هامیلتونی اسپینی با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن ( ab initio ) در چارچوب نظریه تابعی چگالی به دست آمده است. این هامیلتونی شامل جملات برهمکنشی مختلف نظیر برهمکنش تبادلی هایزنبرگ تا همسایه سوم، برهمکنش ژیالوژینسکی-موریا، برهمکنش دومجذوری و ناهمسانگردی تک یون مغناطیسی می­باشد. سپس با استفاده از هامیلتونی اسپینی، رفتار بحرانی این مواد با استفاده از الگوریتم مبادله پیکربندی در چارچوب شبیه سازی مونت کارلو بررسی شده است. پایروکلر FeF 3 یک پایروکلر هایزنبرگ پادفرومغناطیس با ناکامی هندسی قوی محسوب می­شود که پذیرفتاری مغناطیسی آن از قانون کوری-وایس حتی در دمای اتاق انحراف پیدا می کند. در این رساله هامیلتونی اسپینی این ماده تحت تغییر حجم کسری نسبت به حجم ساختار تعادلی () از 2/0- تا 2/0 به­دست آمده است. محاسبات ما نشان می­دهند که سیستم اسپینی به ازایتحت یک گذار فاز مرتبه اول ضعیف از حالت پارامغناطیس و عبور از فاز کولنی به حالت منظم با نظم بلند برد همه داخل-همه خارج (AIAO) گذار می­کند. مرتبه گذار فاز نزدیک حجم تعادلی عوض می­شود. با افزایش تغییر حجم و رسیدن به 2/0 سیستم به حالت اسپینی نامتجانس گذار می­کند که علت آن تغییر علامت برهمکنش دومجذوری می باشد. یافته­های ما دلالت بر حضور نقطه لیفشیتز در پایروکلر FeF 3 دارند که می­تواند منشا رفتار عجیب نماهای بحرانی در این ماده باشد. در ادامه به تعیین نظم حالت پایه پایروکلر Y 2 Mn 2 O 7 پرداخته شده است. ماهیت دقیق حالت پایه پایروکلر Y 2 Mn 2 O 7 از منظر تجربی مشخص نشده است. اگرچه گروهی از دانشمندان حالت پایه این ماده را به واسطه حضور برهمکنش پادفرومغناطیس ضعیف همسایه اول و فرومغناطیس همسایه های بعدی، شیشه-اسپین گزارش کرده اند، اما گزارش هایی نیز از رفتار فرومغناطیس این ماده در دماهای پایین وجود دارند. ما در این رساله نشان دادیم که به ازای پارامتر هابارد به دست آمده حاصل از محاسبات روش پاسخ خطی و روش پاسخ خطی خود سازگار، حالت پایه پایروکلر Y 2 Mn 2 O 7 نظم فرومغناطیس بلند برد در دمایی کمتر از دمای بحرانی دارد. با توجه به این که ساختار تجربی Y 2 Mn 2 O 7 فاقد هرگونه نقص شیمیایی است، به منظور بررسی بیشتر رفتار مغناطیسی این ماده با یک پایروکلر شیشه-اسپین Y 2 Mo 2 O 7 بدون نقص شیمیایی مقایسه شده است. یافته های ما نشان می­دهند که به واسطه حضور درجه آزادی مداری در مادهY 2 Mo 2 O 7 ، یک اعوجاج موضعی در فواصل پیوندی Mo-O و Y-O به­وجود می­آید که سبب تصادفی شدن برهمکنش تبادلی و شکل گیری حالت پایه با نظم شیشه-اسپین می­شود. نتایج ما نشان می­دهند به ازای پارامتر هابارد حاصل از روش پاسخ خطی، این اعوجاج موضعی در پایروکلر Y 2 Mn 2 O 7 وجود ندارد. در انتها به نقش بی نظمی جایگاهی حاصل از توزیع تصادفی اتم­های Na و Ca در پایروکلر NaCaNi 2 F 7 پرداخته شده است. نتایج تجربی نشان می­دهند که این پایروکلر در دمای 6/3 کلوین به حالت پایه با نظم شیشه-اسپین گذار می­کند. محاسبات ما نشان می­دهند که توزیع تصادفی اتم­های Na و Ca به عنوان شکل دهنده محیط اطراف یون مغناطیسی نیکل، تاثیر بسزایی در برهمکنش تبادلی بین یون های مغناطیسی دارد طوری که سبب ایجاد یک تغییر شکل موضعی در چهاروجهی های شامل یون مغناطیسی از منظر زاویه پیوندی می شود. تغییر در زاویه پیوندی سبب می­شود تا شدت برهمکنش تبادلی متفاوت شود که خود در شکل گیری حالت پایه بی نظم بسیار موثر است. در این رساله یافته­های ما نشان می­دهند که برهمکنش ژیالوژینسکی-موریا در این ماده غیرمستقیم است و نقش بسزایی در شکل گیری نظم مغناطیسی حالت پایه دارد.

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی