Relativistic effects : applications to multiferroic materials

Effets relativistes : applications aux matériaux multiferroïques

Anant Dixit (1)

1 IPCMS - Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg

We studied the physics of materials where relativistic effects are important. We first coupled the semi-relativistic Hamiltonian with the Maxwell's equations, and derived the current and density sources, which included second-order terms like the spin and Darwin polarizations. Different models were developed, by expanding the Maxwell's equations. We then performed ab initio studies to explain (1) site disorders as the origin of ferrimagnetism in multiferroic GaFeO3 (GFO), (2) crystal-field theory where the Fe 3d states at the deformed octahedra have tetrahedral splittings, (3) the electric polarization as a function of temperature, and (4) the insufficiency of the direct magnetoelectric (ME) mechanism to explain observed ME behavior. For Cr2O3, bulk calculations for different biaxial strains failed to explain its ferromagnetism, indicating that size or excess-O effects might be important. Finally, we implemented XAS and XMCD in VASP and computed these spectra for GFO.

Notre étude porte sur des matériaux à effets relativistes importants. L'hamiltonien semi-relativiste, couplé aux équations de Maxwell (EM), permet de déduire les sources de courant et de densité, incluant des termes de second ordre (polarisations de spin et de Darwin). Différents modèles sont développés par expansion des EM. L'étude ab initio montre que (1) le désordre atomique peut produire le ferrimagnétisme (FM) dans GaFeO3 (GFO) multiferroïque, (2) les états 3d Fe des octaèdres déformés ont une levée de dégénérescence tétraédrique (théorie du champ cristallin), (3) la polarisation électrique concorde avec l'expérience, (4) le mécanisme magnétoélectrique (ME) direct est insuffisant pour expliquer le ME observé. Pour Cr2O3, le calcul de l'état massif sous contraintes biaxiales n'explique pas son FM, la taille de l'échantillon ou l'excès d'oxygène pourrait de fait être important. Enfin, nous avons développé le XAS et le XMCD dans le code VASP et calculé ces spectres pour GFO.

Mots clés: Spin Orbit Coupling; Multiferroic; Gallium Ferrite; Chromium Oxide; Lagrangian; Semi-relativistic Electron Dynamics; Dirac Maxwell; XAS XMCD

Mots clés: Couplage spin-orbit; Multiferroïque; Gallium ferrite; Oxyde de chrome; Lagrange; Dynamique des électrons semi-relativiste; Dirac Maxwell; XAS XMCD

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]

Anant Dixit. Relativistic effects : applications to multiferroic materials. Condensed Matter [cond-mat]. Université de Strasbourg, 2015. English. ⟨NNT : 2015STRAE037⟩. ⟨tel-01332614⟩