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对多铁性材料RMn_2O_5的第一性原理研究

曹坤  
【摘要】:多铁性材料是一类同时具有多种有序相的材料,其丰富的物理和在多功能电子器件方面的巨大潜在应用吸引了人们很多的注意力。RMn2O5(R=稀土元素)是多铁性材料家族中重要的一员,它表现出丰富的相图和很多新颖有趣的物理现象,如巨磁介电效应,磁致电极化反转效应等。但人们对其复杂的相图及物理效应背后的磁电耦合机制仍不明确。本篇论文基于第一性原理计算和有效哈密顿量的方法,研究此类材料实验现象背后的物理机制。 本论文的内容及得到的结论主要包括以下几个方面: 1.第一章简单介绍多铁性材料的背景和历史。 2.第二章介绍我们在研究中用到的第一性原理计算及其他相关方法。 3.第三章首先对近期多铁性材料的实验,理论进展作一下分类介绍,其后介绍用第一性原理计算研究多铁性材料的情况。 4.在第四章中我们主要研究了RMn2O5类材料的相图。我们首先构建了RMn2O5类材料的有效模型,并且通过第一性原理计算拟合了模型的参数,其后通过蒙特卡罗模拟的方法研究了RMn2O5全温区相图。我们所得到的相图与实验符合的很好,以此确认此类材料中主要的磁电耦合机制为交换收缩机制。通过对模型的进一步分析,我们得到了影响相图的主要竞争参数,解释了相序列产生成因。此章中会详细介绍模型的构建及参数的拟合过程。 5.第五章中我们改进了第三章构建的模型,添加了经验的各项异性能。通过原子尺度的动力学模拟,我们研究了此类材料电磁子的行为。我们很好的重复出了实验上的电磁子吸收谱,并发现此类材料电磁子频率与其非公度相的磁波矢有密切关系,并近一步预言此类材料中的TmMn2O5的电磁子频率会比其他的要高。其后,为了研究电磁子和磁介电效应之间的关系,我们研究了电磁子在磁场下的行为。我们发现电磁子频率在磁场中变化很大,但由于震荡强度的守恒,静介电常数并没有发生变化,从而在我们的模型中并没有发现电磁子与磁介电效应的直接关联。 6.附录中首先介绍在文章中多次用到的复本交换蒙特卡罗方法,随后介绍将复本交换蒙特卡罗方法应用到量子信息的优化问题中,用于计算在量子信息中极为重要的三体纠缠。我们首先用有解析解的密度矩阵测试我们的算法,发现我们的计算结果与解析结果的精确符合,并且理论上我们的计算精度可以无限制的提高。其后我们计算了无理论解析解的结果,并做了一定的预言.这是首次有人提出数值方法计算三体纠缠。


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