Phenomenological approach to spin fluctuations in itinerant magnets and superconductors from ab ...

283 Pages·2013·7.62 MB·English

Phenomenological approach to
spin fluctuations in itinerant
magnets and superconductors
from ab initio calculations
VonderFakultätMathematikundPhysikderUniversitätStuttgart
zurErlangungderWürdeeinesDoktorsderNaturwissenschaften
(Dr.rer.nat.)genehmigteAbhandlung
vorgelegt von
Luciano Ortenzi
aus Rom (Italien)
Hauptberichter:Prof.Dr.OleKroghAndersen
Mitberichter:Prof.Dr.AlejandroMuramatsu
Mitberichterin:Dr.LiliaBoeri
TagdermündlichenPrüfung:17.Oktober2013
Max-Planck-InstitutfürFestkörperforschung
Stuttgart2013

“ExunoVerboomniaetunumloquunturomnia,ethocestPrincipiumquodet
loquiturnobis(Ioann.8,25).Nemosineillointelligit,autrectejudicat.Cuiomnia
unamsuntetomniaadunumtrahitetomniainunovidetpoteststabiliscorde
esseetinDeopacificuspermanere.OveritasDeus,facmeunumtecumincaritate
perpetua!”
DeimitationeChristiLib.ICap.III,“Dedoctrinaveritatis”.

Contents
Abbreviations 7
Introduction 9
Itinerantelectronmagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Investigatedcompounds:anoverview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Organizationofthethesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1 Theoreticaloverview 39
1.1 Localizedanditinerantelectronmagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.1.1 Heisenbergmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.1.2 Landautheoryofsecondorderphasetransitions . . . . . . . . 45
1.1.3 TheStoner-Wohlfarthmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.2 Densityfunctionaltheoryanditsapproximations . . . . . . . . . . . . 54
1.2.1 Densityfunctionaltheory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.2.2 LDA,LSDAandGGAFunctionals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.2.3 ExtendedStonertheoryforferromagnetism . . . . . . . . . . . 62
1.3 Effectofspinfluctuationsonthemagneticproperties . . . . . . . . . . 65
1.3.1 Failureofthemean-fielddescription. . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.3.2 Dynamicalsusceptibilityandspinfluctuations. . . . . . . . . . 67
1.3.3 Randomphaseapproximationandparamagnons . . . . . . . . 68
1.3.4 Self-consistentrenormalizationtheory. . . . . . . . . . . . . . . 69
1.3.5 Recentdevelopmentsonthespinfluctuationstheoryinitiner-
antsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1.4 Superconductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.4.1 Ginzburg-Landauphenomenologicaltheory . . . . . . . . . . . 72
1.4.2 Microscopictheoryofsuperconductivity . . . . . . . . . . . . . 74
1.4.3 Migdal-Eliashbergtheoryforelectron-phononsuperconductivity 76
1.4.4 Paramagnonsandunconventionalsuperconductivity. . . . . . 79
2 Electron-phononsuperconductivityinAPt P(A=Sr,Ca,La)compounds85
3
2.1 Crystalstructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.2 Electronicstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.3 Phonondispersionsandelectron-phononcoupling. . . . . . . . . . . . 97
2.3.1 StrongcouplingandweakcouplingsuperconductivityinAPt P
3
compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.4 Migdal-EliashbergTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.6 Technicaldetails. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3 Spinfluctuationsandelectron-phononcouplinginsuperconductingCu1−xBiSO115
3.1 Electronicstructureandweakferromagnetism . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2 Phononsandelectron-phononproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.3 Paramagnonsandelectron-paramagnoncouplingconstant. . . . . . . 131
3.4 PhasediagramofCu1−xBiSO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.5 Conclusionandoutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.6 TechnicalDetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4 PhenomenologicalapproachtotheopticalpropertiesofLaFePO 141
4.1 Crystalandelectronicstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.2 Intrabandtransitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2.1 TheextendedDrudemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2.2 Themicroscopicmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.2.3 Intrabandopticalconductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.3 Roleofinterbandtransitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.4 Originofinterbandtransitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.5 Phenomenologicalmodelandcomparisonwiththeexperiment. . . . 168
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.7 Technicaldetails. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5 Towardanab-initioestimateoftheStonerI 175
5.1 MagneticandparamagneticDFTresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.2 TherenormalizationoftheStonerparameterI→˜I . . . . . . . . . . . 184
5.3 Ab-initiorenormalizationofI:thereducedStonertheory . . . . . . . 189
5.4 Ferromagnetic-paramagnetictransitioninNi Alunderpressure . . . 193
3
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.6 Technicaldetails. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Conclusion 201
Zusammenfassung 207
Listofpublications 225
Acknowledgements 227
Bibliography 239

Abbreviations
DFT densityfunctionaltheory
DOS densityofstates
GGA generalizedgradientapproximation
LAPW linearaugmentedplanewave
LDA localdensityapproximation
LSDA localspindensityapproximation
SDW spin-densitywave
ARPES angle-resolvedphotoemissionspectroscopy
SQUID superconductingquantumInterferencedevice
BCS Bardeen,Cooper,Schrieffer
RPA randomphaseapproximation
EDM extendedDrudeModel
VBM valencebandmaximum
SCR self-consistentrenormalization
EST extendedStonertheory
RST reducedStonertheory
RBA rigidbandapproximation