二酸化ウランおよびガンマ鉄のノンコリニア常磁性状態の第一原理計算

First-principles calculations of non-colinear parmagnetic states in uranium dioxyde and gamma iron

板倉 充洋  ; 沖田 泰良*; 中村 博樹  

Itakura, Mitsuhiro; Okita, Taira*; Nakamura, Hiroki

鉄および二酸化ウランは原子力分野で重要な材料であるが、各原子が磁性スピンをもっているため、第一原理計算においてスピン分極を考慮に入れなければ正しい結果が出ないことが知られている。アルファ鉄の場合は全ての鉄原子のスピンが同じ方向を向いた強磁性状態が700K付近まで維持されるため、第一原理計算においてもそのようなスピン分極状態を用いて計算を行うことができる。しかし高温でのガンマ鉄や常温でのオーステナイト鋼のような面心立方格子構造をもつ鉄の場合、常磁性状態にあるため各原子にスピン分極を持たせつつそれぞれの方向をランダムに設定した状態で計算する必要がある。また二酸化ウランの計算において導入が必須であるスピン軌道相互作用を取り入れるとスピンの向きとして三次元方向を考慮する必要があることなどを考えると、三次元の色々な方向をランダムに向いたスピン配置を用いるという方法もある。現実をより忠実に模擬しているという意味では後者が望ましいが、三次元的な、ノンコリニアなスピン状態の計算には通常の4倍程度の計算時間が必要となる。したがってコリニアなスピン配置とノンコリニアなスピン配置の計算コストの違い、収束性、求める物性値の違いなどを評価しどちらを使用するかを決めることが望ましい。実際に計算した結果、収束性については両者に大きな差は見られず、コリニアな状態の計算でも十分であることが分かった。

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