基于第一性原理的NiO和MnO磁交换参数与磁振子色散对比研究

自旋波激发是理解磁性材料行为的基础，并在未来信息和通信技术中具有应用前景。然而，在过渡金属化合物中精确建模这些激发仍然具有挑战性，这首先源于密度泛函理论（DFT）中（半）局域泛函影响局域化和部分填充$d$轨道的自相互作用误差。本工作中，我们比较了三种计算NiO和MnO中磁交换参数和磁振子色散的先进第一性原理方法，所有方法均基于共同的DFT+$U$基态，并使用从密度泛函微扰理论获得的从头算Hubbard $U$值。两种方法直接提取交换参数：一种通过四态映射（$\Delta E$）利用总能量差，另一种通过磁力定理（MFT）利用无穷小自旋旋转。然后通过线性自旋波理论（LSWT）从海森堡哈密顿量获得磁振子色散。第三种方法，含$U$的含时密度泛函微扰理论（TDDFPT+$U$），直接从动力学自旋磁化率得到磁振子色散，并通过LSWT事后拟合交换参数以进行比较。我们的结果表明，TDDFPT+$U$和基于$\Delta E$导出参数的Heisenberg模型与实验中子散射数据吻合良好，而基于MFT的方法显示出较大差异，这可能是由于所用特定实现的一些固有近似和局限性。本研究对用于自旋波建模的最先进第一性原理技术的准确性进行了基准测试，并有助于推进用于磁性材料研究和设计的可靠计算工具的发展。