[論文レビュー] Coulomb Correlations and Magnetic Anisotropy in ordered $L1_0$ CoPt and FePt alloys

A. B. Shick, O. N. Mryasov|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2002

Magnetic properties of thin films被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、相対論的フルポテンシャル線形化 augmented 平面波 (FP-LAPW) 計算を用いた LSDA+U 法を用いて、L1₀ CoPt および FePt 合金における大きな磁気歪み異方化エネルギー (MAE) を定量的に再現するには、3d (Co, Fe) および 5d (Pt) 原子上での電子相関効果が不可欠であることを示した。局在的クーロン相関の取り入れにより、従来の LSDA 基盤の計算と比べて実験値との一致が著しく向上し、以前の計算で生じていた乖離を解消した。

ABSTRACT

We present results of the magneto-crystalline anisotropy energy (MAE) calculations for chemically ordered $L1_0$ CoPt and FePt alloys taking into account the effects of strong electronic correlations and spin-orbit coupling. The local spin density + Hubbard U approximation (LSDA+U) is shown to provide a consistent picture of the magnetic ground state properties when intra-atomic Coulomb correlations are included for both 3$d$ and 5$d$ elements. Our results demonstrate significant and complex contribution of correlation effects to large MAE of these material.

研究の動機と目的

• L1₀ CoPt および FePt 合金における理論的 LSDA 基盤の MAE 計算と実験測定値との間の長年の乖離を解消すること。
• 遷移金属の磁気異方化エネルギー (MAE) を決定づける要因としての電子相関効果、特に Pt の 5d 状態の役割を調査すること。
• LSDA+U 法が物理的に妥当な U パrameter を用いて、これらの材料における MAE および軌道磁気モーメントを定量的に記述できるかを評価すること。
• 特にスピン-軌道結合および混合効果を通じて、MAE が Hubbard U パrameter に強く依存する微視的起源を解明すること。

提案手法

• 固定磁化が [110] および [001] 方向に沿うように、相対論的フルポテンシャル線形化 augmented 平面波 (FP-LAPW) 法を用いて高精度な全エネルギー計算を実施した。
• 3d (Co, Fe) および 5d (Pt) 遷移金属元素に対して、局在的クーロン相関を含む LSDA+U アプローチを適用した。
• ガウス型スメアリング (1 mRy) を用いた特別な k ポイントメッシュを用い、全エネルギー差を 1 μeV 以内に収束させ、信頼性の高い MAE 計算を実現した。
• MAE を [110] および [001] 磁化方向間のエネルギー差として計算した： MAE = E[110] − E[001]。
• スピン-軌道結合 (SOC) に基づく摂動理論モデル (式 2) を用いて、軌道モーメント異方性およびスピン反転項の寄与を解釈した。
• U パrameter の系統的スキャンを実施し、3d および 5d サイトにおける U の変化が MAE に与える感度を分析し、Pt の軌道極化との関連を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ従来の LSDA 基盤の計算では、L1₀ CoPt および FePt 合金における実験的 MAE 値を再現できないのか？
• RQ2 Pt の 5d 状態における電子相関効果が磁気歪み異方化エネルギーに与える定量的寄与は何か？
• RQ3 LSDA+U を用いた局在的クーロン反発の取り入れにより、これらの系において理論的および実験的 MAE の一致がどのように向上するのか？
• RQ4 特に Pt に対して、MAE が Hubbard U パrameter に強く依存する微視的起源は何か？
• RQ5 強い相関効果が存在する条件下でも、スピン-軌道結合および軌道モーメント異方性モデル (式 2) が観測された MAE の傾向を定量的に説明できるか？

主な発見

• フルポテンシャル FP-LAPW を用いた LSDA+U 法により、CoPt の実験的 MAE (T=0 K 時で 1.00 meV/f.u.) に対して 10% 以内の精度で再現され、以前の過大評価問題が解消された（実験値 1.03 meV/f.u.）。
• FePt に関しては、LSDA+U 法により MAE が 2.68 meV/f.u. に達したが、実験値 (1.0–1.4 meV/f.u.) よりも顕著に高く、さらなる相関効果の取り入れが求められる可能性がある。
• Pt の 5d サイトにおける U の取り入れが極めて重要である：U_Pt のわずかな変化（約 0.1 eV）が、強いスピン-軌道結合および 3d-5d 混合効果により MAE に大きな変化をもたらす。
• 式 (2) を用いた分析により、特に Pt 由来のスピン反転項 ΔE_T が負の MAE 補正をもたらし、全 MAE を実験値に近づける寄与をしていることが示された。
• Pt の 5d 軌道モーメントの異方性 ΔM_l^Pt（[110] と [001] 方向での差）は U_Pt に強く依存し、MAE の強い U 依存性を説明する要因である。
• 本研究では、磁性原子 (Co, Fe) と非磁性原子 (Pt) の両方のサイトにおける電子相関を同時に取り入れることで、磁性状態の整合的記述が可能であることを示した。