单相多铁性材料光学特性的理论研究

近年来多铁性材料成为凝聚态物理和材料科学的关注焦点。本课题将重点研究单相多铁性材料的光学性质。通过研究材料中微观磁性结构和电极化构型对线性和二阶非线性光学系数的影响，进一步揭示多铁性体材料和薄膜材料中电，磁，应力等多种自由度的耦合及其带来的奇异光学效应。理论上我们超越适用于基态的密度泛函理论，利用适用于电子结构激发态的GW+BSE从头计算方法，精确计算单相多铁性材料中的准粒子能谱和光学激子效应，并由此得出线性和非线性光学响应，及其与材料中微观磁电结构的关系。我们更进一步考虑自旋轨道耦合效应和非共轴磁性结构，发展GW+BSE计算方法，揭示单相多铁性材料中新型的电光效应和磁光效应。我们的理论研究不仅具有重要的学术价值，更加为单相多铁性材料的实际应用开辟崭新的领域。

多铁性材料由于其同时具有磁有序和电有序受到人们的广泛关注.科学研究主要集中在对其磁性,电性质及两者之间的耦合上,对其光学性质的研究并不多见.本课题提出利用第一性原理的方法来研究单相多铁性材料的光学性质.特别是利用密度泛函理论来研究其光学激发态特性.我们的研究具体包括了BiFeO3,BiCoO3,PbVO3,Bi2FeCrO6等单相多铁性材料.我们的计算表明,虽然这些体系的线性光学效应不依赖于体系的磁结构,但是其非线性光学特征,如二次谐波效应强烈依赖于体系的磁有序结构.特别是当外加磁场将体系从反铁磁基态变化到铁磁性磁有序结构时,体系的非线性光学特性有着显著变化.这些结果为单相多铁性材料的应用提供崭新的方向.理论上我们尝试利用GW+BSE方法来计算多铁材料的光学特性,取得了一些初步的进展.这为研究强关联体系的激发态性质提供了一些有益的基础.