【摘 要】
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凝聚态物理是当今物理学中最活跃也是应用最广泛的分支学科之一。而磁性是物质的一种普遍又重要的属性。凝聚态物理与磁学这一学科之间的交叉——凝聚态磁性物理取得了许多重要的成果,例如自旋液体、自旋玻璃和斯格明子等等。人们为了解释实验上观测到的磁性材料的各种性质,例如比热、磁矩、磁化率以及磁激发谱等等,需要构建合适的磁模型。因此,定量的确定磁模型中的各种磁相互作用就吸引了大量学者的研究兴趣,包括理论的和实验
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凝聚态物理是当今物理学中最活跃也是应用最广泛的分支学科之一。而磁性是物质的一种普遍又重要的属性。凝聚态物理与磁学这一学科之间的交叉——凝聚态磁性物理取得了许多重要的成果,例如自旋液体、自旋玻璃和斯格明子等等。人们为了解释实验上观测到的磁性材料的各种性质,例如比热、磁矩、磁化率以及磁激发谱等等,需要构建合适的磁模型。因此,定量的确定磁模型中的各种磁相互作用就吸引了大量学者的研究兴趣,包括理论的和实验的。近年来,人们发展了多种第一性原理计算磁相互作用的方法,例如能量映射方法,格林函数方法以及冻磁子方法等。我们基于磁力理论和线性响应理论,发展了一种高效的直接计算磁相互作用的方法,并成功的在第一性原理计算软件WIEN2k中实现了这一方法。本论文分为以下六个章节:第一章首先介绍了物质磁性的主要类型,然后介绍了这些磁性的形成机理,重点介绍了海森堡交换模型,并且通过引入自旋轨道耦合得到了更为一般的交换作用哈密顿量,最后介绍了自旋波理论。第二章简单介绍了第一性原理的发展历程。第三章首先介绍了线性化缀加平面波方法。然后介绍了我们发展的一种第一性计算磁相互作用的方法,该方法基于磁力理论和线性响应理论。随后介绍了我们如何基于WIEN2k软件包实现的这一方法。最后我们计算并讨论了一些范例材料的结果。第四章我们使用第一性原理计算,对量子自旋链材料K2Cu SO4Cl2和K2Cu SO4Br2的电和磁性质进行了综合研究。我们用第一性原理线性响应方法计算了磁交换参数,理论值与实验值在数量上有很好的一致性。根据链间磁交换参数的符号和大小,我们发现K2Cu SO4Br2沿b轴的磁序为反铁磁,而K2Cu SO4Cl2沿b轴的磁序为强阻挫。根据得到的磁交换参数,我们成功地再现了实验中的自旋波色散。我们还计算了Dzyaloshinskii–Moriya（DM）相互作用,发现在这些化合物中DM相互作用比链间磁交换相互作用的强度更强。最后,我们利用蒙特卡洛模拟得到了这两种材料的相图。我们的结果与以前的实验一致,给出了磁结构的完整解释。第五章我们用第一性原理计算系统地研究了Ca2Fe2O5的电和磁性质。褐铁矿Ca2Fe2O5因其新颖的性质和广泛的应用而受到人们的广泛关注。计算结果表明,在八面体和四面体环境的铁的价态均为+3。使用第一性原理线性响应方法,我们计算了磁交换相互作用。磁交换相互作用是短程的,对于键长大于6?的Fe-Fe原子对,可以忽略不计。三个较大的交换相互作用决定了磁性基态为G型反铁磁,这与实验结果一致。用计算的磁交换参数得到的磁转变温度与实验结果一致。根据得到的磁交换参数,我们计算了自旋波的色散。由于交换参数大,该化合物具有较大自旋波色散。我们还用第一性原理线性响应方法计算了DM相互作用。第六章我们对全文做了简单的总结和展望。
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