Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1) Было проведено исследование влияния диэлектрических и металлических подложек на электронную структуру и магнитные свойства двумерного магнетика CrI3. Для учета диэлектрических подложек применялся модельный параметр диэлектрического экранирования, в то время как металлические подложки явно учитывались во время моделирования. С точки зрения электронной структуры, взаимодействие с подложками всех типов не приводит к значительным изменениям в зонной структуре самого CrI3, и выражается, в основном, в незначительном изменении межзонных расстояний и небольшому сжатию самих зон. Результаты расчета магнитных обменных параметров CrI3 при взаимодействии с диэлектрическими и металлическими подложками демонстрируют немонотонную картину изменения температуры Кюри (Тс). При увеличении экранирования, вызванного подложками, Тс растет и достигает максимального значения, после чего начинает уменьшаться. Такое поведение вызвано нетривиальным изменением изотропных обменов для первой и второй координационных сфер атомов Cr. В частности, для большинства металлических подложек, изменения в изотропных обменах не приводят к значительным изменениям в Тс, в то время как при взаимодействии со свинцовой подложкой Тс уменьшается. Дополнительным отличием свинцовой подложки от других исследованных металлических подложек является сильное увеличение одноузельной анизотропии в CrI3, что указывает на возможную технологическую важность в реализации подобных систем. 2) При помощи первопринципных расчетов, выполненных в приближениях LDA и PBE, были определены наборы обменных взаимодействий между магнитными моментами в монослое Fe3GeTe2. Было установлено, что наличие сильного ферромагнитного взаимодействия сверхобменной природы, а также соизмеримого прямого обменного взаимодействия приводит к сильной связи магнитных моментов атомов Fe(I). Данный факт позволяет перейти к эффективной магнитной модели, в которой ближайшие атомы железа Fe(I) заменяются одним эффективным атомом, что упрощает структуру магнитной решетки и ускоряет проведение термодинамических расчетов. Эквивалентность полной и эффективной моделей была подтверждена путем анализа результатов Монте-Карло симуляций и магнонных спектров. Было установлено, что обменные параметры, полученные с использованием PBE приближения, дают переоценку температуры Кюри по отношению к экспериментальному значению. Были рассмотрены различные физические механизмы, которые могут привести к эффективной перенормировке обменных взаимодействий и, как следствие, уменьшению результирующей критической температуры магнитного перехода. В качестве примера можно привести учет динамических кулоновских корреляций. С другой стороны, использование LDA приближения позволяет добиться хорошего согласия между экспериментом и теории по температуре Кюри. Кроме этого численно было показано, что варьирование постоянной решетки приводит к существенным изменениям магнитных моментов атомов железа, а также величин и знаков обменных параметров. Последнее, в свою очередь, оказывает значительное влияние на температуру Кюри и даже может приводить к изменению основного состояния системы. 3) Проведено моделирование ультрабыстрой спиновой динамики, генерируемой фемтосекундными лазерными импульсами, в монослое Fe3GeTe2 и мультислоевой системе Co/Pt. Тестирование и настройка двухтемпературной модели, применяемой для симуляции воздействия лазера на образец, выполнены на примере мультислоевой системы Co/Pt, для которой есть соответствующие экспериментальные данные. Предложенная минимальная спиновая модель позволяет с хорошей точностью воспроизвести временное и пространственное поведение максимальной интенсивности рассеянного рентгеновского излучения, на уровне рассчитываемых спин-спиновых корреляционных функций. На этой основе дано микроскопическое объяснение короткодействующим магнитным флуктуациям, наблюдаемым в эксперименте для Co/Pt. Применение двухтемпературной модели в случае гамильтониана монослоя Fe3GeTe2, полученного из первоприницпных расчетов, показывает, что при воздействии лазерного импульса исходная ферромагнитная конфигурация переходит в стабильную структуру с периодически чередующимися доменными областями спинов вверх и вниз, средний размер которых составляет 26 нм. Подобные возбужденные магнитные структуры ранее наблюдались для в мультислойнных магнетиках при приложении магнитного поля в плоскости. Показано, что решающую роль в формировании таких доменных структур играют дальнодействующие магнитные взаимодействия в спиновом гамильтониане. 4) Были исследованы магнитные свойства слоистой системы MoP3SiO11, в которой реализуется модель слабо связанных гексагональных антиферромагнитных решеток со спином S = 3/2. Результирующее значение обменного взаимодействия в гексагональной решетке J = 2.6 K приводит к оценке температуры Кюри-Вейсса Θ = −10.8 K, что находится в разумном согласии с экспериментальным значением −10.7±0.4 K. Расчет магнитной анизотропии демонстрирует наличие только одноузельного члена D ~ 2.2 K, который формирует анизотропию типа легкой плоскости, соответствующая плоскости гексагональной решетки. Решение данной модели квантовым методом Монте-Карло (QMC) воспроизводит экспериментальные кривые магнитной восприимчивости от температуры и намагниченности от внешнего магнитного поля, а также позволяет описать фазовый переход с температурой Нееля TN =7.1 K, что находится в хорошем согласии с экспериментом 6.8 K. Оценка квантовых флуктуаций демонстрирует ~10% подавление полного магнитного момента, что намного слабее для гексагональной решетки со спином 1/2, где данные значения достигают до 45%. В системе MoP3SiO11 сильная одноузельная анизотропия ослабляет эффекты квантовых флуктуаций. 5) Был проведен анализ влияния внешнего давления на магнитные свойства 2D магнетиков на примере китаевского магнетика α-Li2IrO3, испытывающего переход из магнитной в димеризованную немагнитную фазы под давлением. Результаты расчета электронных структур соответствующих фаз показывают, что повышение давления приводит к серьезной перестройке энергетических уровней иридия рядом с уровнем Ферми. Температурная зависимость критического давления была объяснена нами с помощью расчета разницы фононного вклада в свободную энергию между димеризованной и недимеризованной фазами для различных температур. Для объяснения зависимости температуры Нееля от давления в данном материале, нами были рассчитаны обменные взаимодействия для двух различных значений внешнего давления. Было показано, что увеличение величины суммарного обменного взаимодействия при изменении давления сопоставимо с увеличением температуры Нееля, что позволяет сделать вывод о том, что за изменение температуры магнитного перехода отвечает уменьшение углов Ir-O-Ir.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1) Было проанализировано влияние металлических и диэлектрических подложек на взаимодействия Дзялошинского-Мории (ДМ) в двумерном магнетике CrI3. На первом этапе были рассмотрены металлические подложки из золота и свинца. На основе расчета обменных тензоров для CrI3 на данных подложках были вычислены направление и величина соответствующих векторов взаимодействий ДМ. При исследовании влияния диэлектрических подложек, помимо взаимодействий ДМ, также были рассчитаны изотропные и анизотропные обменные параметры. Было показано, что взаимодействие CrI3 с подложками из гексагонального нитрида бора и сульфида молибдена приводит к уменьшению параметра изотропного обмена между первыми, и к увеличению параметра изотропного обмена между вторыми по соседству атомами Cr, в то время как анизотропные обменные параметры остаются неизменными. Также стоит отметить, что взаимодействие CrI3 с диэлектрическими подложками не приводит к появлению взаимодействий ДМ. Для всех исследуемых соединений были вычислены критические температуры магнитного перехода. На примере подложки из кремния была проанализирована возможность стабилизации неустойчивых структур с подложками с помощью использования гетероструктур. 2) Были изучены механизмы рассеяния носителей заряда и их вклад в транспортные свойства двумерного ферромагнетика Fe3GeTe2. Для этой цели были использованы первопринципные и модельные подходы с целью выяснения роли электрон-фононного и электрон-магнонного взаимодействий в электронном транспорте. Наши результаты показывают, что в рассеянии носителей заряда в Fe3GeTe2 преобладает электрон-фононное взаимодействие, а роль магнитных возбуждений незначительна в соответствующем температурном диапазоне. В то же время вызванное магнетизмом расщепление энергетических зон модифицирует электрон-фононную связь и вносит нетривиальный вклад в ее температурную зависимость. Это приводит к нелинейной температурной зависимости сопротивления вблизи температуры Кюри, что согласуется с экспериментальными наблюдениями. Наши расчеты дают нижнюю оценку удельного сопротивления при комнатной температуре (35 мкОм·см) в монослойном Fe3GeTe2. 3) Межслойные связи в двумерных (2D) материалах, открытых вслед за графеном, и так называемых Ван-дер-Ваальсовых гетероструктурах имеют важнейшее значение для перспективных технологические применений двумерных систем. В рамках проекта с помощью методов первопринципного моделирования было проведено систематическое исследование межслойных связей и перераспределения зарядовой плотности ряда представителей различных групп 2D-материалов, которые традиционно считаются Ван-дер-Ваальсовыми системами. Показано, что по силе межслойных связей можно выделить три основных типа систем: первый тип это монослойные системы, связанные Лондоновскими дисперсионными силами (графен, hBN), второй группой систем выступают материалы, в которых ведущую роль играет электростатическое взаимодействие между слоями (диселениды, InSe и двухслойный кварц) и в качестве последней выделенной группы выступают материалы с координационными химическими связями между слоями (дителуриды). Была предложена численная схема для определения ведущего типа межслойных связей в системе, которая включает в себя сравнение межслоевых расстояний, межслойных энергий связи и перераспределения плотности заряда в межслоевом пространстве. Такой подход оказывается дешевым в плане вычислительных ресурсов и может быть использован для дальнейшего прогнозирования химических и физических свойств, таких как волны зарядовой плотности, работа выхода и химическая стабильность в условиях окружающей среды. 4) Была реализована численнаях схема на основе первоприницпных расчетов для определения параметров магнитных взаимодействий в обратном пространстве для коррелированных металлических систем. Это позволяет избежать проблемы сходимости дальнодействующих и осциллирующих обменных интегралов с расстоянием при моделировании в прямом пространстве, которая возникает при теоретическом описании металлических магнитных материалов. Также была изучена проблема расчета суммарного обменного взаимодействия выделенного атома с окружением в рамках теоремы локальных сил. В рамках простой микроскопической модели показано, что учет спиновой поляризации на уровне приближения локальной электронной плотности не позволяет достичь согласия по значению суммарных обменных взаимодействий, определяемых через локальные и нелокальные вариации полной энергии системы по направлениям магнитных моментов. 5) Была изучена возможность определения величины полного обмена и числа координационных сфер, вносящих существенный вклад в поведение системы, на основе анализа экспериментально доступных термодинамических наблюдаемых. Для этих целей при помощи метода Монте-Карло было проведено моделирование двумерных ферромагнитных систем с квадратной кристаллической решеткой, описываемых гамильтонианом Гейзенберга с монотонно затухающей обменной функцией. Было установлено, что для малого числа координационных сфер значение полного обмена может быть восстановлено на основе анализа температурных зависимостей намагниченности и теплоемкости системы. Кроме того, системы с различным числом ближайших соседей, определяющих их поведение, но одинаковой температурой Кюри, могут быть разделены на основе анализа угла наклона дисперсии энергии после положения максимума. Стоит отметить, что данная величина не улавливает вклады, при которых на конкретную сферу приходится менее 10% от полного обмена, а также слабо меняется при рассмотрении более пяти координационных сфер. В общем случае, использование базовых алгоритмов машинного обучения позволило добиться точности порядка 92% при определении числа соседей с ненулевым вкладом в гамильтониан системы. 6) Было выполнено исследование фононов для потенциальных низкотемпературных структур слоистого ван-дер-Ваальсового магнетика α-RuCl3. Были рассчитаны фононные спектры для C2/m и R-3 структурных конфигураций для ферромагнитного и антиферромагнитного упорядочения магнитных моментов. Результаты расчетов показали, что смена магнитного порядка не влияет на акустическую часть фононного спектра, и приводит лишь к небольшим изменениям в оптической части. Различия в дисперсии фононов между двумя структурными конфигурациями заключаются лишь в величине энергии фононов, в то время как форма дисперсии остается неизменной. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными позволяет сделать вывод, что низкотемпературный структурный переход связан с изменениями в положении магнитных слоев в материале друг относительно друга.