An ab initio study of magnetic exchange interactions and spin waves in bcc iron

Le interazioni magnetiche responsabili dell'ordinamento ferromagnetico hanno origine quantomeccanica e, in un metallo come il ferro, nascono da elettroni itineranti 3d piuttosto che da momenti atomici ben localizzati. Questa tesi determina le proprietà magnetiche del ferro bcc da primi principi, usando il metodo delle spin spiral implementato nel codice VASP. Un insieme di spin spiral congelate, parametrizzate da un vettore di propagazione q e da un angolo di cono fisso a 30°, viene portato a convergenza in modo autoconsistente nel formalismo del momento vincolato; il teorema di Bloch generalizzato riduce ciascun calcolo alla cella primitiva. Le energie totali, campionate su una griglia uniforme 10x10x10 della zona di Brillouin, vengono mappate su un modello di Heisenberg, da cui si estraggono i parametri di scambio nello spazio reale J0j, la dispersione magnonica ω(q), la rigidità delle onde di spin D e la temperatura di Curie TC. Lo stato fondamentale ferromagnetico emerge direttamente dalla positività dell'energia delle spin spiral, senza essere assunto a priori. Gli accoppiamenti di scambio sono dominati dalle prime due shell di coordinazione (J1=21 meV, J2=6 meV), seguiti da una debole coda che oscilla di segno con la distanza, impronta nello spazio reale dell'interazione RKKY. Lo spettro magnonico concorda con un calcolo di riferimento indipendente e la rigidità D=320 meV Å^2 riproduce il valore sperimentale. La temperatura di Curie, stimata in approssimazione di campo medio, di fase casuale e tramite simulazione Monte Carlo, racchiude il valore sperimentale di 1043 K, con la stima Monte Carlo (TC=1036 K) la più vicina. Questi risultati confermano l'approccio autoconsistente delle spin spiral come via affidabile per lo studio delle proprietà magnetiche dei ferromagneti itineranti.