Electronic correlation and magnetism in multi-band Kondo lattice models

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht elektronische Korrelationseffekte in Realsubstanzen wie Europium-Sulphid (EuS) und Gadolinium-Nitrid (GdN). Es wird dazu eine Kombination von vielteilchentheoretischen Analysen der Spin-Austauschwechselwirkung zwischen itineranten Bandelektronen und lokalisierten 4f-Momenten, durchgefuehrt im Rahmen eines Mehr-Band-Kondo-Gitter-Modells (KLM), mit first-principles (T=0) Bandstrukturrechnungen vorgeschlagen. Die Ein-Teilchen-Energien (hopping-Integrale), die als Energie-Matrix in den Mehr-Band-Hamilton-Operator eingehen, werden einer TB-LMTO-ASA entnommen. Die interessierenden physikalischen Eigenschaften wie die Quasiteilchen-Spektraldichte und die Quasiteilchen-Zustandsdichte werden mit der Bewegu-ngsgleichungs-Methode Greencher Funktionen berechnet. Dazu wird fuer die gesuchte Mehr-Band-Selbstenergie der itinerantenLadungstraeger als Verallgemeinerung des sogenannten Interpolating Selfenergy Approach (ISA) ein Ansatz vorgeschlagen. Es stellt sich heraus, dassdas elektronische Anregungsspektrum durch die Austausch-Kopplung an das lokalisierte Momenten-System eine spektakulaere Temperaturabhaengigkeit aufweist, in Uebereinstimmung mit vorliegenden experimentellen Beobachtungen. Stark temperaturbestimmte Korrelationseffekte werden registriert, z.B. eine mit fallender Temperatur in der ferromagnetischen Phase auftretende Rotverschiebung der unteren Leitungsbandkante in guter Uebereinstimmung mit experimentellen Daten. Um die reinen f-Spin-Korrelationen zu beschreiben, wird eine modifizierte RKKY-Theorie fuer Mehr-Band-Systeme entwickelt, wobei durch Ausmitteln der elektronischen Freiheitsgrade das Mehr-Band KLM auf ein effektives Heisenberg-Modell abgebildet wird. Mit einer RPA-Theorie wird das effektive Heisenberg-Modell auf Aussagen zu zentralen magnetischen Eigenschaften wie Curie-Temperatur und Magnetisierungskurve analysiert. Durch gezielte Variation der Systemparameter wird die Brauchbarkeit des Modells getestet.

This dissertation deals with a combination of many-body evaluation of a spin exchange interaction between the itinerant electrons and localized 4f moments on a periodic lattice, i.e. within the so-called multi-band Kondo lattice model (KLM), and the T=0 first principles calculations in order to study the electronic correlation effects in real materials like Europium Sulphide (EuS) and Gadolinium Nitride (GdN).The single-particle ground state energy or hopping integral acting as an input in the many-body part is obtained using tight binding linear muffin-tin orbital within atomic sphere approximation (TB-LMTO-ASA) program and is a matrix in general. The physical properties of interest like the quasi-particle spectral density and quasi-particle density of states are calculated within the Green function theory and the equation of motion method. In order to do so the required multi-band self-energy of the band electrons istaken as an ansatz, i.e. the so-called interpolating self-energy approach (ISA). The electronic excitation spectrum gets a striking temperature dependence by its exchange coupling to the localized spin system. We observe very strong temperature dependent electronic correlation effects in GdN and the calculated red-shift of the lower conduction band is in close comparison with experiment. In order to determine the pure f-spin correlations, we develop the multi-band modified RKKY theory. The central idea of this theory beingto average out the itinerant electron degrees of freedom from the spin-exchange interaction and map the latter on to an effective Heisenberg model. Using this procedure, we determine the magnetic properties of the system like Curie temperature (within Random Phase Approximation) while calculating the chemical potential and magnetization within a self consistent scheme for various configurations of system parameters.