Автореферат (Квантовые основные состояния низкоразмерных магнетиков)

на правах рукописиВОЛКОВА ОЛЬГА СЕРГЕЕВНАКВАНТОВЫЕ ОСНОВНЫЕ СОСТОЯНИЯ НИЗКОРАЗМЕРНЫХМАГНЕТИКОВ01.04.09 – физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква, 2014 г.Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В.ЛомоносоваНаучный консультант:Васильев Александр Николаевичдоктор физико-математических наук, профессор. Физический факультет Московскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова; заведующий кафедрой физикинизких температур и сверхпроводимости.Официальные оппоненты:Гуфан Юрий Михайловичдоктор физико-математических наук, профессор.

Научно Исследовательский ИнститутФизики Федерального государственного автономного образовательного учреждениявысшего профессионального образования "Южный федеральный университет"; заведующийотделом теоретической физики.Любутин Игорь Савельевичдоктор физико-математических наук, профессор. Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова; заведующий отделомядерных методов и магнитных структур.Менушенков Алексей Павловичдоктор физико-математических наук, профессор. Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальныйисследовательский ядерный университет «МИФИ»; и.о.

заведующего кафедрой физикитвердого тела и наносистем.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики имениЛ. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наукЗащита состоится 20 ноября 2014 г. в _____ часов на заседании Диссертационного советаД.501.001.10 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова поадресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 35, конференц-зал Центраколлективного пользования физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУимени М.В.Ломоносова (Ломоносовский пр., д. 27) и в сети по адресуhttp://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D5-1-001-70/.Автореферат разослан ____ ____________ 2014 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.70,доктор физико – математическихпрофессорГ.С.

Плотниковнаук,3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияФундаментальная значимость заявленной проблемы и ее актуальностьопределяются тем, что работы по изучению физических свойств новыхмагнитных материалов направлены на познание наиболее общих эффектов ивзаимодействий, формирующих квантовые основные состояния материи. Врамках единой научной картины мира могут рассматриваться не толькопроблемыфизикиконденсированногосостояния,например,проблемасверхпроводимости, но и космологии и элементарных частиц (в этом планеполезно сопоставить поле Гинзбурга-Ландау и поле Хиггса – Энглера – Браута).В пределах заявленной проблемы рассматриваются и такие «частные» вопросыкак нахождение общности между квантовыми кооперативными явлениями вконденсированных средах. Частными, впрочем, эти вопросы можно считатьлишь условно, поскольку к физике конденсированного состояния веществаотноситсяосновнаядолявсехфизическихисследований.Квантовыекооперативные явления - магнетизм, сверхпроводимость, волны зарядовойплотности, бозе-эйнштейновская конденсация и т.д.

- образуют особый,наиболее актуальный раздел физики конденсированного состояния. Именноквантовые аспекты в поведении материи ("запутывание" волновых функций,спин-поляризованный транспорт, экзотическая сверхпроводимость) лежат восновеилипредполагаютсякиспользованиювнаиболеепередовыхтехнологиях. Настоящая работа направлена на установление фундаментальнойобщности и глубинных аналогий между низкоразмерным и фрустрированныммагнетизмом, с одной стороны, и сверхпроводимостью, с другой стороны. Этидва явления – магнетизм и сверхпроводимость, считавшиеся долгое времяантиподами, обнаруживают общие черты в объектах, находившихся ранее внеполязрениятеоретиковиэкспериментаторов.Самообнаружениевысокотемпературной сверхпроводимости в сложных оксидах переходных4металлов, которые исходно являются антиферромагнитнымиизоляторами,полностью изменило вектор развития физики твердого тела. Интерес сталипривлекать так называемые «новые магнетики», т.е.

вещества с пониженнойразмерностьюмагнитнойподсистемыифрустрациейобменноговзаимодействия. Стало ясно, что в некоторых из этих систем основнымсостоянием материи является спиновая жидкость, а свойства этого состояния иего элементарных возбуждений близки к свойствам электронной жидкости всверхпроводниках. Этим, собственно, и определяется научная значимостьзаявленной проблемы.Внастоящейработевпервыесистематическиисследованытермодинамические свойства новых низкоразмерных металооксидов в целомряде семейств, включая силикаты переходных металлов Na2Cu2Si4O11,Na2Cu5Si4O11,(NO)Cu(NO3)3,BaVSi2O7;нитратыRb3Ni2(NO3)7,переходныхNi(NO3)2;Cu(NO3)2⋅H2O,металловсложныеодно-идвумерныхметаллооксиды Cr3(PO4)2, Cu2As2O7, Li2CuZrO4, AgFeO2; трехмерные решеткиШастри – Сазерленда Ba3Cu3In4-xScxO12.

Для получения более полной картиныквантовыхосновныхтермодинамическаясостоянийвхарактеризацияисследованныхбылаобъектахдополненаипервичнаярасширена(всотрудничестве с другими научно – исследовательскими группами) данными орезонансных свойствах, исследований с помощью нейтронов, мюонов, спектровпоглощения рентгеновского излучения, теоретических первопринципныхрасчетов энергетического спектра. Спецификой проведенных исследованийявляетсянетолькомеждународнаяколлаборация,сопровождаемаяпубликациями в ведущих научных журналах по физике конденсированногосостояния, но и острая конкуренция. При выполнении настоящей работыпроисходили конкурентные "пересечения", вплоть до установления приоритетаи выяснения даты представления статей к публикации, с ПринстонскимУниверситетом, США (работы по Ba3Cu3In4O12), Национальным ЦентромИсследования Материалов, Цукуба, Япония (работы по AgFeO2).5Степень разработанностиПроблема низкоразмерного магнетизма известна давно и получиламощный импульс при обнаружении сверхпроводимости в металлооксидныхсоединениях.

В результате исследования первых высокотемпературныхсверхпроводников - сложных оксидов на основе меди - было установлено, что,наряду с взаимодействием электронов проводимости с решеткой, важная роль вформированиисверхпроводящегосостоянияпринадлежитмагнитнойподсистеме. Новые высокотемпературные сверхпроводники - пниктиды ихалькогениды железа - также демонстрируют необычные магнитные свойствапри высоких температурах.

Этот магнетизм, в отличие от "классического"магнетизма железа обладает рядом принципиальных особенностей, чтообъясняетегосовременнуюклассификациюкак"новыймагнетизм".Низкоразмерный магнетизм наиболее ярко проявляется во фрустрированныхтопологиях, когда формирование дальнего магнитного порядка затруднено илиоказываетсяневозможным.Приэтоммасштабобменногомагнитноговзаимодействия может оказаться большим не только азотной, но и комнатнойтемпературы.

В такой ситуации магнетизм и сверхпроводимость не толькоконкурируют, но и "помогают" друг другу. В этом плане легирование сложныхкупратов носителями заряда не только подавляет антиферромагнетизм, но иоткрывает путь к формированию сверхпроводящего состояния. Аналогичныепроцессы разыгрываются и в недавно открытых "железных" сверхпроводниках.Важно отметить, что исследования в области низкоразмерного магнетизманацелены не только на повышение функциональных характеристик магнитныхматериалов, но и формируют новые направления в физике конденсированногосостояния.

Это, прежде всего, физика спиновых жидкостей, неколлинеарных иэкзотических магнитных структур, мультиферроэлектричества и квантовойсуперпозиции состояний.6Цели и задачи работыЦелью настоящей работы являлось установление квантовых основныхсостояний в новых низкоразмерных магнетиках в классах металлооксидных иметаллонитратных соединений.

Для достижения поставленной в работе целирешались следующие задачи:- поиск новых низкоразмерных магнетиков,- синтез низкоразмерных магнетиков,-анализструктурныхимикроструктурныхпараметровметодамирентгеновской дифракции,- установление магнитных и тепловых характеристик в широких диапазонахмагнитных полей и температур,- установление температур структурных и магнитных фазовых переходов,- установление параметров квантовых основных состояний.Научная новизна работыВ настоящей работе впервые установлены механизмы формирования ипараметры квантовых основных состояний в целом ряде низкоразмерныхмагнетиков.Впервые установлено синглетное основное состояние в квазиодномерныхдимерных соединениях, Na2Cu2Si4O11·2H2O и Na2Cu2Si4O11.

В этих материалахобнаружена уникальная возможность управления магнитными параметрами засчет вариации содержания воды. В низкоразмерном антиферромагнетике спятикратно – альтернированной цепочкой S = 1/2 Na2Cu5Si4O14 впервыеобнаружено плато 3/5 на кривой намагничивания.Впервые исследованы сходства и отличия t2g аналога на основе VBaVSi2O7 от широко известного красителя династии Хань на основе медиBaCuSi2O6 с магнитоактивной eg орбиталью. Установлены основные свойства7BaVSi2O7,тоестьмасштаб внутридимерныхимеждимерныхобменных взаимодействий.Впервые определены параметры магнитных состояний, формирующихсяпри низких температурах в нитратах переходных металлов Cu(NO3)2⋅H2O,(NO)Cu(NO3)3, Rb3Ni2(NO3)7 и установлено влияние на них размерныхкорреляционных эффектов при высоких температурах.Впервые обнаружены или предсказаны неколлинеарные (экзотические)основные состояния в некоторых низкоразмерных магнетиках.