First-principles theory of spatial dispersion

Resum

Aquesta tesi se centra en l'avanç de la comprensió fonamental d'una àmplia classe de propietats de dispersió espacial en el camp de la física de la matèria condensada. Per a això desenvolupem i apliquem mètodes nous, precisos i eficients basats en primers principis. Ens centrem en tres exemples representatius, respectivament en òptica (activitat òptica natural) dinàmica de xarxes (forces de Lorentz i factors g moleculars) i electromecànica (flexoelectricitat en metalls polars). Els càlculs d'estructura electrònica a primers principis es realitzen en el marc de la teoria del funcional de la densitat (DFT) i de la teoria pertorbacional del funcional de la densitat (DFPT), amb ones planes i pseudopotencials. Les propietats de dispersió espacial s'estudien en el marc teòric de l'acabat d'implementar ``long-wave DFPT’’, sobre el que desenvolupem les nostres noves implementacions teòriques i computacionals. Generalitzem el mètode ``long-wave DFPT’’ a metalls, aconseguint un nivell de precisió i eficiència computacional comparables a l'aconseguit en aïllants. Apliquem el nostre nou mètode en el context de fonons i gradients de deformació, calculant els coeficients de dispersió espacial dels fonons òptics en Γ i el tensor de força-resposta flexoelèctric en estructures metàl·liques seleccionades. Aprofitem els avantatges de la nostra nova implementació per a la dispersió espacial en metalls per a demostrar que la flexoelectricitat pot resoldre un dels problemes persistents dels metalls polars, a saber, el canvi de direcció del paràmetre d'ordre polar mitjançant un camp extern. Prenem LiOsO3 com a cas de prova i vam demostrar que el canvi del paràmetre d'ordre polar mitjançant gradients de deformació hauria de ser experimentalment factible. Explorem, en el context DFPT, l'íntima connexió entre dispersió espacial i magnetisme orbital estudiant els efectes d'un camp magnètic sobre la dinàmica de molècules (factors g rotacionals) i sòlids (forces de Lorentz generalitzades). La magnetització induïda bé per una rotació rígida d'una mostra finita o per una pseudorotació produïda per fonons circularment polaritzats es descriu en termes de només dues propietats de resposta lineal: un terme de càrrega puntual procedent de la polarització macroscòpica induïda per un desplaçament atòmic (tensor de càrrega efectiva de Born) i un terme dispersiu procedent de la seva dispersió espacial a primer ordre. Trobem que aquesta última contribució, que havia estat sistemàticament ignorada en estudis anteriors, pot dominar la resposta. Establim, sota el marc teòric ``long-wave DFPT’’, una nova metodologia a primers principis per a calcular l'activitat òptica natural, que supera la majoria de les limitacions dels mètodes actualment disponibles. En particular, la nostra metodologia evita sumes sobre estats buits, tracta adequadament els termes de camps autoconsistents, pren les derivades respecte a q analíticament i és igualment vàlida tant en molècules com en sòlids.

Data del Ajut	8 de nov. 2024
Idioma original	Anglès
Supervisor	Massimiliano Stengel (Director/a)