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Capturing the ground state of uranium dioxide from first principles: Crystal distortion, magnetic structure, and phonons

物理 基态 凝聚态物理 反铁磁性 联轴节(管道) 亚稳态 声子 非弹性中子散射 磁性 中子散射 散射 材料科学 原子物理学 量子力学 冶金
作者
Shuxiang Zhou,Hao Ma,Enda Xiao,Krzysztof Gofryk,Chao Jiang,Michael E. Manley,David H. Hurley,Chris A. Marianetti
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (12) 被引量:23
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.125134
摘要

Uranium dioxide (UO2) remains a formidable challenge for first principles approaches due to the complex interplay among spin-orbit coupling, Mott physics, magnetic ordering, and crystal distortions. Here we use DFT+U to explore UO2 at zero temperature, incorporating all the aforementioned phenomena. The technical challenge is to navigate the many metastable electronic states produces by DFT+U, which is accomplished using f-orbital occupation matrix control to search for the ground state. We restrict our search to the high-symmetry ferromagnetic phase, including spin-orbit coupling, which produces a previously unreported occupation matrix. This newfound occupation matrix is then used as an initialization to explore the broken symmetry phases. We find the oxygen cage distortion of the 3k antiferromagnetic state to be in excellent agreement with experiments, and both the spin-orbit coupling and the Hubbard U are critical ingredients. We demonstrate that only selection phonon modes have a strong dependence on the Hubbard U, whereas magnetic ordering has only a small influence overall. We perform measurements of the phonon dispersion cures using inelastic neutron scattering, and our calculations show good agreement when using reasonable values of U. The quantitative success of the DTF+U warrants exploration of thermal transport and other observables within this level of theory.
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