Многочастичное взаимодействие и деформация электронных оболочек атомов в динамике решетки сжатых атомарных криокристаллов

Abstract

Динамика решетки сжатых атомарных криокристаллов строится на основе неэмпирической версии квантово-механической теории деформируемых и поляризуемых атомов (модель Толпыго) с учетом многочастичного взаимодействия. Параметры трехчастичного взаимодействия и деформации электронных оболочек атомов, рассчитанные через интегралы перекрытия атомных орбиталей и их производные, имеют один порядок величин, что свидетельствует о необходимости их совместного рассмотрения. Учет эффектов деформации электронных оболочек атомов в дипольном приближении при расчете фононных частот приводит при больших сжатиях к «размягчению» продольных мод в точках L и X для всего ряда кристаллов Ne–Xe и поперечных мод в направлениях Ʃ и Λ для Xe. Показано, что наблюдаемое отклонение от соотношения Коши δ(p) для сжатых атомарных криокристаллов невозможно воспроизвести адекватно без учета деформации электронных оболочек атомов в квадрупольном приближении. Вклады от трехчастичного и квадрупольного взаимодействий в кристаллах Ne, Kr и Xe в значительной мере компенсируются, что обеспечивает для δ(p) слабую зависимость от давления. Получено хорошее согласие с имеющимся экспериментом рассчитанных фононных частот, модулей упругости Бирча и Фукса, отклонения от соотношения Коши для всего ряда кристаллов Ne–Xe в широком интервале давлений.

Динаміка гратки стиснених атомарних кріокристалів будується на основі неемпіричної версії кванто- во-механічної теорії деформованих і поляризованих атомів (модель Толпиго) з урахуванням багаточаст- кової взаємодії. Параметри трьохчасткової взаємодії і деформації електронних оболонок атомів, що роз- раховані через інтеграли перекриття атомних орбіталей та їх похідні, мають один порядок величин, що свідчить про необхідність їх спільного розгляду. Врахування ефектів деформації електронних оболонок атомів в дипольному наближенні при розрахунку фононних частот за умови великого стиснення призво- дить до «розм.’якшення» поздовжніх мод в точках L та X для всіх кристалів ряду Ne–Xe і поперечних мод у напрямках Ʃ та Λ для Xe. Показано, що спостережуване відхилення від співвідношення Коші δ(p) для стиснених атомарних кріокристалів неможливо відтворити адекватно без урахування деформації елект- ронних оболонок атомів в квадрупольному наближенні. Внески від трьохчасткової та квадрупольної вза- ємодій в кристалах Ne, Kr та Xe значною мірою компенсуються, що забезпечує для δ(p) слабку залеж- ність від тиску. Отримано гарну згоду з наявним експериментом розрахованих фононних частот, модулів пружності Бірча і Фукса, відхилення від співвідношення Коші для всього ряду кристалів Ne–Xe в широ- кому інтервалі тисків

The lattice dynamics of compressed atomic cryocrystals are based on ab initio quantum-mechanical theories of deformable and polarizable atoms (Tolpygo model), while taking into account the many-body interaction. The parameters of the three-particle interaction and deformation of the atomic electron shells, which are calculated in terms of the overlap integrals of atomic orbitals and their derivatives, have the same order of magnitude thus demonstrating that they must be considered in tandem. Accounting for the deformation effects of the electron shells in the dipole approximation when calculating phonon frequencies leads to a “softening” of the longitudinal modes at points L and X, for an entire series of Ne-Xe crystals, and of the transverse modes in the directions Σ and Λ for Xe, under high compression. It is shown that it impossible to adequately reproduce the observed deviation from the Cauchi relation δ( p) for compressed atomic cryocrystals, without accounting for the deformation of electron shells of atoms in a quadrupole approximation. The inputs from a three-particle and quadrupole interaction for Ne, Kr, and Xe crystals are mutually compensated, which provides a weak dependence on pressure for δ( p). We found a good agreement between the calculated phonon frequencies, Birch and Fuchs elastic moduli, the deviation from the Cauchi relation for the total number of Ne-Xe crystals in a wide range of pressures, and existing experiments.