A first-principles approach based on Special Quasirandom Structures for paramagnetic phases: the case of EuO

Magnetism stands as one of the most historic and practically significant domains in con- densed matter physics. In recent decades, advancements in first-principles computational techniques have enabled the modeling of diverse magnetic materials across various magnetic phases, including ferromagnetic, antiferromagnetic, and more exotic noncollinear and noncoplanar phases, like spin helices, skyrmions, merons and others. Despite their differences, all these phases share a common trait: the arrangement of magnetic moments on the crystal lattice is ordered, characterized by a well defined ordering parameter. Moreover, each of these magnetic phases exhibits a critical temperature, above which the ordered phase ceases to exist due to thermal fluctuations. In the case of insulating materials with localized magnetic moments, above the critical temperature the long-range order breaks but the magnetic moments persist, resulting in disordered paramagnetic phase with a sporadic short-range order. This thesis delves into the theoretical study of paramagnetic phase of Europium Oxide (EuO), a widely studied ferromagnetic insulator that found its applications in spintronics, magnetic memory devices, spin-injecting contacts, magneto-optic devices and many other technological fields. In EuO with a rocksalt structure, the highly localized magnetic moments reside on Eu atoms in the corners of the face-centered cubic lattice. To simulate their disorder, we apply the Special Quasirandom Structures (SQS) technique - a method invented for emulating the chemical disorder in binary alloys. In our case, instead of having two chemically different species like in binary alloys, we have two different magnetic species of Eu atoms. To calculate the electronic and magnetic properties of paramagnetic phase of EuO, we build the appropriate supercells, generate the (quasi)random distribution of Eu magnetic moments with the SQS method and perform Density Functional Theory (DFT) calculations. We compare the ferromagnetic, two different antiferromagnetic and two different paramagnetic phases of EuO to address the effects of magnetic moments disorder on the electronic bandstructure of this material. Our findings reveal a significant increase in the bandgap as EuO transits from the ferromagnetic to the paramagnetic phase, aligning with experimental observations. This thesis holds dual significance: it explores the paramagnetic phase of EuO using first-principles methods, a topic that, to the best of the authors’ knowledge, has not been extensively investigated. Additionally, it serves as a benchmark for assessing the capabilities of the SQS method, highlighting its effectiveness in modeling the paramagnetic phase of technologically appreciated EuO.

Il magnetismo si pone come una delle più storiche e significative branche della fisica della materia condensata. Negli ultimi decenni, i progressi nelle tecniche computazionali "a principi primi" hanno permesso la modellizzazione di diversi materiali magnetici in diverse fasi magnetiche, tra cui ferromagnetiche, antiferromagnetiche e fasi non collineari e non coplanari più esotiche, quali eliche di spin, skyrmioni, meroni e altre. Nonostante le loro differenze, tutte queste fasi condividono un tratto comune: la disposizione dei momenti magnetici sul reticolo cristallino è ordinata, caratterizzata da un parametro di ordinamento ben definito. Inoltre, ciascuna di queste fasi magnetiche presenta una temperatura critica, al di sopra della quale la fase ordinata viene distrutta dalle fluttuazioni termiche. Nel caso di materiali isolanti con momenti magnetici localizzati, al di sopra della temperatura critica l’ordine a lungo raggio cessa di esistere, ma i momenti magnetici persistono, dando origine a una fase paramagnetica disordinata con ordine sporadico a corto raggio. Questa tesi approfondisce lo studio teorico della fase paramagnetica dell’Ossido di Europio (EuO), un isolante ferromagnetico ampiamente studiato con possibili applicazioni in spintronica, in particolari in dispositivi di memoria magnetica, contatti per iniezione di spin, dispositivi magneto-ottici, etc. Nell’EuO con struttura cristallina a facce cubiche centrata, i momenti magnetici altamente localizzati risiedono sugli atomi di Eu negli angoli del reticolo. Per simulare il loro disordine, applichiamo la tecnica delle Special Quasirandom Structures (SQS), un metodo inventato per simulare il disordine chimico nelle leghe binarie. Nel nostro caso, invece di avere due specie chimicamente diverse come nelle leghe binarie, abbiamo due diverse specie magnetiche di atomi di Eu. Per calcolare le proprietà elettroniche e magnetiche della fase paramagnetica dell’EuO, costruiamo le supercelle appropriate, generiamo la distribuzione (quasi) casuale dei momenti magnetici degli atomi di Eu con il metodo SQS ed eseguiamo i calcoli nell’ambito della Teoria del Funzionale Densità (DFT). Confrontiamo le fasi ferromagnetiche, due diverse antiferromagnetiche e due diverse fasi paramagnetiche di EuO, al fine di comprendere gli effetti del disordine dei momenti magnetici sulla struttura a bande elettronica di questo materiale. I nostri risultati rivelano un significativo aumento del bandgap nel passaggio dalla fase ferromagnetica a quella paramagnetica dell’EuO, in linea con le osservazioni sperimentali. La presente tesi ha un duplice obiettivo: esplorare la fase paramagnetica dell’EuO utilizzando metodi ai principi primi, un argomento che, a conoscenza degli autori, non è stato ampiamente studiato. Inoltre, serve come punto di riferimento per valutare le capacità del metodo SQS, evidenziandone l’efficacia nella modellizzazione della fase paramagnetica dell’EuO.