Small polarons in spin-orbit coupled osmates

Small polarons (SP) have been thoroughly investigated in 3d transition metal oxides and they have been found to play a crucial role in physical phenomena such as charge transport, colossal magnetoresistance and surface reactivity. However, our knowledge about these quasi-particles in 5d systems remains very limited, since the more delocalised nature of the 5d orbitals reduces the strength of the Electronic Correlation (EC), making SP formation in these compounds rather unexpected. Nevertheless, the Spin-Orbit coupled Dirac-Mott insulator Ba2NaOsO6 (BNOO) represents a good candidate for enabling polaron formation in a relativistic background, due to the relatively large EC (U ∼ 3 eV) and Jahn-Teller activity. Moreover, anomalous peaks in Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy experiments suggest the presence of thermally activated SP dynamics when BNOO is doped with Ca atoms. We investigate SP formation in BNOO both from an electronic and structural point of view by means of fully relativistic first principles calculations. Our numerical simulations predict a stable SP ground state and agree on the value of 810 K for the dynamical process peak found by NMR experiments.

Excitonic properties of transition metal oxide perovskites and workflow automatization of GW schemes

The Many-Body-Perturbation Theory approach is among the most successful theoretical frameworks for the study of excited state properties. It allows to describe the excitonic interactions, which play a fundamental role in the optical response of insulators and semiconductors. The first part of the thesis focuses on the study of the quasiparticle, optical and excitonic properties of \textit{bulk} Transition Metal Oxide (TMO) perovskites using a G$_0$W$_0$+Bethe Salpeter Equation (BSE) approach. A representative set of 14 compounds has been selected, including 3d, 4d and 5d perovskites. An approximation of the BSE scheme, based on an analytic diagonal expression for the inverse dielectric function, is used to compute the exciton binding energies and is carefully bench-marked against the standard BSE results. In 2019 an important breakthrough has been achieved with the synthesis of ultrathin SrTiO3 films down to the monolayer limit. This allows us to explore how the quasiparticle and optical properties of SrTiO3 evolve from the bulk to the two-dimensional limit. The electronic structure is computed with G0W0 approach: we prove that the inclusion of the off-diagonal self-energy terms is required to avoid non-physical band dispersions. The excitonic properties are investigated beyond the optical limit at finite momenta. Lastly a study of the under pressure optical response of the topological nodal line semimetal ZrSiS is presented, in conjunction with the experimental results from the group of Prof. Dr. Kuntscher of the Augsburg University. The second part of the thesis discusses the implementation of a workflow to automate G$_0$W$_0$ and BSE calculations with the VASP software. The workflow adopts a convergence scheme based on an explicit basis-extrapolation approach [J. Klimeš \textit{et al.}, Phys. Rev.B 90, 075125 (2014)] which allows to reduce the number of intermediate calculations required to reach convergence and to explicit estimate the error associated to the basis-set truncation.

How to get an equation named after you (part I)

Abstract|IT Nelle lauree triennali le pubblicazioni scientifiche non vengono studiate. Per quanto possa rivelarsi un piccolo intervento, lo scopo di questa tesi è invece quello di rendere più accessibili ai pochi interessati alcune vecchie e polverose pubblicazioni. Inoltre, la presente tesi non dovrebbe essere trattata come un lavoro a se stante, ma come il primo mattone di un progetto che comprende tutte le maggiori pubblicazioni della storia. How to get an equation named after you (Part I) in particolare discute la serie di pubblicazioni del 1926 di Schrödinger "Quantisierung als Eigenwertproblem" e l’articolo del 1928 di Dirac "The Quantum Theory of the Electron", ovvero quei lavori dove le equazioni di Schrödinger e Dirac vennero per prime derivate. La serie di articoli del 1926 sommano ad un totale di oltre 100 pagine. Inizialmente Schrödinger dimostra come ciò su cui è basata la sua teoria possa spiegare correttamente fenomeni conosciuti come l’atomo di idrogeno e l’effetto Stark, per poi derivare la famosa equazione d’onda complessa del secondo ordine. I procedimenti matematici, in questi articoli, sono complicati e molte delle dimostrazioni non vengono mostrate oppure risultano inutilmente lunghe. La pubblicazione di Dirac invece ha principalmente a che fare con la derivazione dell’equazione, la sua generalizzazione e l’invarianza relativistica. Dimostra inoltre che tale equazione è compatibile con passate teorie. La lettura di Dirac è molto più sistematica, dato il largo utilizzo di dimostrazioni matematiche laddove Schrödinger avrebbe usato parole.

Una nuova formulazione semplificata per la soluzione del problema di Maxwell non omogeneo

Il problema di Maxwell canonico si suddivide nel problema di Maxwell omogeneo e nel problema di Maxwell non omogeneo, o della radiazione, a seconda che siano presenti le correnti impresse. Il problema della radiazione ci mostra come si può generare un’onda elettromagnetica. In questo elaborato si risolverà il problema di Maxwell non omogeneo utilizzando un metodo relativamente nuovo che sfrutta la funzione di Green e la funzione generalizzata tridimensionale di dirac. Tramite quest'ultima, vedremo come sarà possibile riscrivere l’elemento infinitesimo di corrente impressa.