Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Number 26 2000 Los Alamos Science
153
Свойства актиноидов в основном состоянии
Электронная структура а- и 6-плутония
Теория и эксперимент
Алоизиус Дж. Арко, Джон Дж. Джойс и Джон М. У иле
Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС) является прямым способом сравнения расчетной плотности состояний с измеренной электронной структурой. Поскольку сечения фотоэмиссии сильно изменяются в зависимости от энергии фотонов и орбитальной симметрии, для сравнения необходимо выбрать спектры с такой энергией фотонов, при которой сечения d и f состояний почти равны. Оказывается, что это происходит вблизи hv = 40 эВ, то есть близко к резонансной линии гелия II. По этой причине мы сравниваем результаты расчетов с данными спектра излучения гелия II при температуре 80 К с разрешением 75 мэВ. (Смотри статью “Фотоэлектронная спектроскопия а- и 6-плу-тония” на с. 170.)
Рисунки 1(а)-1(в) показывают это сравнение для а- и 6-плутония. На каждом рисунке экспериментальные кривые представлены линиями из точек красного цвета, результаты расчетов плотности состояний без уширения показаны тонкими линиями черного цвета, а результаты расчетов плотности состояний с уширением показаны толстыми линиями черного цвета. Уширение расчетного спектра необходимо для сравнения с экспериментом. Спектр фотоэмиссии уширяется гауссовским разрешением прибора, обрезанным энергией Ферми, и, что более важно, лоренцевым уширением времени жизни за счет дырки, образованной в процессе фотоэмиссии, обычно называемой фотоэлектронной дыркой. Уширение времени жизни происходит потому, что чем ниже под уровнем энергии Ферми находится фотоэлектронная дырка, тем быстрее она повторно заполняется из вышерасположенных состояний электронов. Таким образом, это уширение зависит от энергии. Плотность состояний на рис. 1, таким образом, была свернута с помощью профи-
ля Лоренца, полная ширина которого на половине максимума увеличивается как [Eq + E1 (Ев2)], где Eb - энергия ниже уровня энергии Ферми, Eq задается равной 20 мэВ, а E1 = 1,1 эВ-1, чтобы смоделировать уширение за счет времени жизни фотоэлектронной дырки. Максимально допустимое уширение ограничивается величиной 1 эВ. Все расчеты проведены с одинаковым уширением. Вторичные электроны были вычтены из экспериментальных данных методом вычитания фона типа Ширли. Константы Eq и E1 были выбраны таким образом, чтобы аппроксимировать данные, представленные на рис. 1(a). Во всех трех расчетах были использованы одинаковые константы.
На рис. 1(a) сравнивается спектр 6-плутония с результатами расчета в обобщенном градиентном приближении (ОГП), в котором четыре из пяти электронов 5f искусственно принуждаются к локализации. В целом экспериментальный спектр 6-плутония хорошо воспроизводится рассчитанным спектром, позволяя предположить, что это, возможно, хорошая отправная точка для достижения основательного понимания плутония. Такое представление подкрепляется наблюдением того, что зонные расчеты предсказывают некоторую смесь 5f и 6d состояний для узкого пика, а количество зависит от выбора ограничивающих условий, как это требуется для интерпретации зависимости от энергии фотонов. Однако в настоящее время расчет разместил бы узкую особенность на 60 мэВ ниже уровня Ферми ?р, а не точно на ?р, где он обнаружен экспериментально. Природа этого расхождения не понята.
На рис. 1(6) сравнивается спектр 6-плутония с результатами расчета в ОГП, в котором допускается, что все 5f электроны блуждающие. В этом расчете
154
Los Alamos Science Number 26 2000
Интенсивность (произв. ед.) Интенсивность (произв. ед.) Интенсивность (произв. ед.)
Свойства актиноидов в основном состоянии
Энергия связи (эВ)
было установлено, что большая часть плотности 5f состояний содержится в узкой области в пределах 0,5 эВ вблизи уровня Ферми (аналогично результатам для урана). Очевидно, что этот результат противоречит эксперименту и подкрепляет представление о том, что по крайней мере некоторые 5f электроны являются локализованными.
Расчеты для а-плутония и измеренный спектр сравниваются на рис. 1(в). Становятся очевидными некоторые приводящие к затруднениям проблемы, поскольку острый ПИК вблизи ?р, отчетливо наблюдаемый в экспериментальных данных, не столь хорошо выражен в расчете методом ОГП без ограничений. Здравый смысл указывает на то, что а-плутоний очень напоминает переходной металл с обычными зонами. Острый пик при энергии Ферми дает основание предполагать, что даже этот материал, подобный материалам переходной группы, демонстрирует сильные корреляционные эффекты. Ho острый пик в спектре а-плутония возникает при энергии на 100 мэВ ниже уровня ?р, следовательно, это ставит под сомнение корреляционные эффекты. Более того, трудно предполагать электрон-электронные корреляции в системе с температуронезависимой восприимчивостью и плотноупакованной кристаллической структурой, в которой возможно прямое f-f перекрытие. Тем не менее мы знаем, что внутренние 4f уровни а-плу-тония показывают сателлитное поведение, подобное 6-плутонию, но не так ярко выраженное. Возможно, корреляционные явления важны несмотря на то, что 5f максимум на 100 мэВ ниже уровня Ферми ?р. Разумным расчетным приближением для а-плутония могла бы стать одна из перенормированных зон, в которой гамильтониан Хаббарда вводится как возмущение в зоны, полученные в ОГП. Изменение кулоновской корреляционной энергии взаимодействия U управляет силой электрон-электронных корреляций. При таком подходе можно решить проблему для а-плуто-ния, но это более проблематично для 6-плутония, у которого рассчитанные в ОГП зоны слишком узкие по сравнению с экспериментом. Структура на уровне 1 эВ не может быть воспроизведена путем перенормировки. ¦
