Calcolo ab initio delle interazioni magnetiche mediante density functional theory e four-state method

Questa tesi analizza alcune proprietà elettroniche e magnetiche dell’ossido di nichel (NiO) e del nichel metallico (Ni) attraverso calcoli basati sulla Density Functional Theory (DFT) eseguiti con il codice VASP, con particolare attenzione alla determinazione dei parametri di scambio tramite Four-State Method. Per descrivere le forti correlazioni elettroniche del NiO è stato impiegato un approccio DFT+U , con Ueff = 5.0 eV. La struttura cristallina ottenuta presenta una costante reticolare a ≃ 4.185 ˚A. Il confronto tra diverse configurazioni magnetiche ha confermato lo stato antiferromagnetico di tipo II (AFM-II) come stato fondamentale, con energie relative di 100.294 meV per la configurazione ferromagnetica (FM) e 111.047 meV per quella antiferromagnetica di tipo I (AFM-I). Nello stato AFM-II il NiO presenta un band gap di 3.134 eV e un momento magnetico locale di 1.692 μB sui siti di Ni, entrambi compatibili con i valori sperimentali. I tensori di scambio risultano sostanzialmente isotropi, con una debole interazione ferromagnetica tra primi vicini, J1 = 1.527 meV, e una dominante interazione antiferromagnetica tra secondi vicini, J2 = −17.564 meV, che spiega l’ordinamento AFM-II. Da J2 è stata inoltre ottenuta, nell’approssimazione di campo medio, una temperatura di Néel TN ≃ 815.3 K. Il Ni metallico presenta invece un comportamento FM di carattere itinerante. I calcoli ne riproducono il carattere metallico e forniscono un momento magnetico locale di 0.644 μB nella configurazione FM stabile. L’applicazione del Four-State Method risulta tuttavia più problematica rispetto al NiO: le configurazioni necessarie al metodo non rimangono stabili senza imporre vincoli sui momenti magnetici locali. Il confronto mostra quindi come la determinazione dei parametri di scambio risulti naturale nel NiO, caratterizzato da momenti magnetici localizzati, e più problematica nel Ni metallico a causa del carattere itinerante del magnetismo.