Автореферат (Квантовые основные состояния низкоразмерных магнетиков), страница 2

В нитратеникеля Ni(NO3)2 с антиферромагнитной решеткой типа кагоме со спином S = 1установлено ферримагнитное состояние со спонтанным магнитным моментом.В семействе соединений Ba3Cu3In4-xScxO12 обнаружено антиферромагнитноеосновное состояние, для которого предложена модель трех взаимно –ортогональных антиферромагнитных подрешеток.Теоретическая и практическая значимость работыПосколькуприоритетнойзадачейнастоящейработыявлялосьустановление общих закономерностей в достижении квантовых основныхсостояний функциональных материалов, работа по ее выполнению сводилась кизучению весьма широкого круга новых оксидов и нитратов переходныхметаллов.Исследованияподаннойтематикепроводятсявомногихлабораториях мира.

В Российской Федерации исследованиям функциональныхматериалов,предполагаемыхдляиспользованиявэнергосберегающихтехнологиях, также традиционно уделяется большое внимание. Существующиепроблемы в области данного исследования связаны с поиском и улучшениемфункциональных параметров новых магнитных соединений, приведением иххарактеристик в соответствие с требованиями инновационных технологий. Длядостижения заявленной цели во всем мире в режиме параллельныхисследований решаются конкретные задачи по установлению доминирующихмеханизмов обменного магнитного взаимодействия, определению параметров8обменного взаимодействия в новых магнитных материалах.

В результатепроведения комплексного исследования этих материалов были полученыприоритетные данные об основных закономерностях формирования основногосостояния, установлены фазовые диаграммы и определены характеристикимагнитной подсистемы при формировании дальнего магнитного порядка.Полученные данные стимулировали развитие теоретических представлений оструктуре материи.Работа выполнялась при частичной финансовой поддержке РФФИ(гранты 07-02-00350, 11-02-00083, 14-02-00111, 14-02-92002). Полученныерезультатымогутисследовательскихпредставлятьорганизаций,практическийзанимающихсяинтересдлясозданиемнаучноквантовыхкомпьютеров и магнитных сенсоров, в частности, МИРЭА, МИИТ, МИЭТ,МФТИ, ИФП РАН, ИФТТ РАН, ФИАН, ИОФАН и др.Методология и методы исследованияДля выполнения настоящего научного исследования был использованарсенал современного материаловедения, химии твердого тела и физикиконденсированногосостояния.Путемсочетанияметодовиподходов,выработанных этими науками, возможна всесторонняя характеризация новыхобъектов.

На основе специально отработанной методики, опирающейся наособенности кристаллической структуры, производился поиск и отборперспективных неорганических соединений. Кристаллические структуры этихсоединенийиконтрольрентгеноструктурногоиихкачестварентгенофазовогоустанавливалисьанализа.методамиТермодинамическиесвойства материалов изучались в измерениях намагниченности и теплоемкостив широком интервале магнитных полей и температур. В наиболее интересныхслучаях были проведены измерения намагниченности в импульсных магнитныхполях.

Особенности формирования квантовых основных состояний в новыхсоединениях дополнительно исследовались в сотрудничестве с партнерскими9научно–исследовательскими группамиметодамиэлектронногопарамагнитного резонанса, ядерного квадрупольного и магнитного резонанса, вособо интересных случаях, рассеяния нейтронов и мюонов. Теоретическаяподдержка полученных экспериментальных результатов также выполнялась впартнерских научно – исследовательских группах и включала аналитическиерасчеты и численные вычисления параметров зонной структуры.Положения, выносимые на защитуЦелый ряд новых низкоразмерных соединений, включая димерные ицепочечные силикаты переходных металлов Na2Cu2Si4O11, BaVSi2O7 иNa2Cu5Si4O11; димеры, цепочки и двумерные плоскости в нитратах переходныхметаллов Rb3Ni2(NO3)7, (NO)Cu(NO3)3 и Cu(NO3)2⋅H2O, Ni(NO3)2; цепочки идвумерные плоскости в металооксидах Cr3(PO4)2, Cu2As2O7, Li2CuZrO4 иAgFeO2; трехмерные решетки Шастри – Сазерленда Ba3Cu3In4-xScxO12, былохарактеризован в исследованиях намагниченности и теплоемкости.

Впервые вуказанных системах установлено квантовое основное состояние и определеныпути его достижения. Полученные результаты могут быть сформулированы ввиде следующих выносимых на защиту утверждений:- Квантовым основным состоянием двух квазиодномерных соединений,Na2Cu2Si4O11·2H2O и Na2Cu2Si4O11, является спиновый синглет. Величинаэнергетической щели зависит от количества молекул H2O в микропористойструктуре, обеспечивая уникальную возможность для подстройки этогопараметра за счет вариации содержания воды. Квантовым основнымсостояниемNa2Cu5Si4O14являетсяантиферромагнитнаяструктура,демонстрирующая плато 3/5 на кривой намагничивания при T < TN.

Спин –димерное соединение BaVSi2O7 обнаруживает явление Бозе – Эйнштейновскойконденсации магнонов, индуцированное внешним магнитным полем принизких температурах;10-Квантовымосновным состояниемCu(NO3)2·H2Oявляетсяантиферромагнитная структура, формирующаяся при TN = 3.25 К. Спин-флоп испин-флиппревращенияописываютэволюциюантиферромагнитнойподсистемы Cu(NO3)2·H2O, подрешетки которой принадлежат различнымслоям.ВнизкоразмерномантиферромагнетикеRb3Ni2(NO3)7дальниймагнитный порядок возникает при TN = 4.1 К, причем термодинамическиехарактеристики указывают на существование в этой фазе димеров S = 1 сэнергетической щелью Δ = 5.5 К. В нитратокупрате нитрозония (NO)[Cu(NO3)3]ближний магнитный порядок формируется при температуре корреляционногомаксимума Tmax ~ 105 K, а дальний магнитный порядок возникает притемпературе Нееля TN = 0.58 K. Топология магнитных взаимодействий в этомсоединениипозволяетописыватьегоКвантовымосновнымсостояниеммодельюнитрата“флаганикеляконфедерата”.Ni(NO3)2являетсянеколлинеарная ферримагнитная структура, формирующаяся при TC = 5.5 K.Такая структура обязана конкуренции внутриплоскостных и межплоскостныхантиферромагнитных взаимодействий;- В ортофосфате хрома α-Cr3(PO4)2 при TC = 29 K реализуетсяферримагнитноеосновноесостояние.Уникальнойособенностьюэтойструктуры является многократное обращение намагниченности при низкихтемпературах.

В системе Cu2As2O7 установлено сосуществование ближнего идальнегопорядка.изолированныхБлижниймагнитныхпорядокобусловленцепочек.альтернированиемФормированиедальнегоантиферромагнитного порядка при TN = 13 К происходит за счетмежцепочечныхобменныхвзаимодействий.ВLi2CuZrO4имеетместососуществование активных электрической и магнитной подсистем. При TN =6.8 K система переходит в состояние длиннопериодного несоизмеримогогеликоида. Квантовое основное состояние в AgFeO2 реализуется черезпоследовательность магнитных фазовых переходов при T1 = 7 К и T2 = 15 К.Приложениемагнитногометамагнитнымиполясопровождаетсяпревращениями.Квантовоевэтомсоединенииосновноесостояние11низкоразмерного антиферромагнетика Ba3Cu3In4O12 с топологией спиновойподсистемытипаортогональными«бумажнаямагнитнымицепочка»формируетсяподрешетками.тремяУстановленывзаимномагнитныехарактеристики и построена магнитная фазовая диаграмма системы Ba3Cu3(In4xScx)O12(х = 0 - 4).Степень достоверности и апробация результатовПо теме диссертационной работы опубликовано 17 статей, включая 10статей в журналах из списка Топ – 25% по импакт фактору по версии ThomsonReuters, как то Physical Review Letters, Physical Review B, European PhysicsLetters (которые также присутствуют в списке Всероссийской АттестационнойКомиссии).

Уровень признания полученных в работе результатов может бытьоценен также из наукометрических показателей автора, которые на моментпредставления работы составляли индекс Хирша 10, число цитирований 400,число опубликованных статей 65.Основные результаты работы были представлены в виде 39 устных ипостерных докладов.

Приглашенные доклады были сделаны на I Российско –Тайваньском Симпозиуме по магнетизму, сверхпроводимости и электроннойструктуре твердых тел, Каошон 2012, IV Международной конференции длямолодых ученых, 3-7 июня, 2013, Харьков, Украина и International Conferenceon Quantum transport and fluctuations at nanoscale, 1 – 5 Сентября, Черногория,2008. Некоторые аспекты работы были представлены также на семинарах вМосковскомгосударственномуниверситетеимениМ.В.Ломоносова,вИнституте физических проблем имени П.Л.

Капицы Российской АкадемииНаук, в Институте физики твердого тела и материаловедения имени Лейбница,Дрезден, Германия, в Международной лаборатории сильных магнитных полей,Вроцлав, Польша.12ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,сформулированы задачи исследований, и дан анализ научной новизныисследований, положенных в основу диссертационной работы.В первой главе представлен аналитический обзор литературы поосновным классам низкоразмерных магнетиков.

Приведено описание основныхтермодинамических свойств изолированных магнитных кластеров, включаядимеры, тримеры, тетрамеры. Рассмотрены основные свойства бесщелевыходнородных цепочек с полуцелочисленным спином, а также механизмыпоявления спиновой щели в спектре магнитных возбуждений таких цепочек.Представлено описание спин – жидкостного состояния в спиновых лестницах, атакже в комбинации спиновых цепочек и спиновых лестниц. Описаныдвумерные фрустрированные модели на примере решеток типа «кагоме» иШастри – Сазерленда.Во второй главе приводится описание экспериментальных методик,использованныхв работе. Привыполнениисинтезированыполикристаллическиеинастоящейработымонокристаллическиебылиобразцынизкоразмерных металлооксидных магнетиков. Синтез образцов осуществлялсятвердофазнымметодом.Фазовыйсоставобразцованализировалсянарентгеновском дифрактометре общего назначения.В представленной работе теплоемкость исследованных соединенийизучалась с помощью квазиадиабатических калориметров (Термис) и системыизмерения физических свойств (PPMS-9T, Quantum Design).МагнитныесвойстваобразцовизмерялисьспомощьюСКВИДмагнитометров (MPMS-7T “Quantum Design”), вибрационных магнитометров имагнитометров импульсных магнитных полей.13В третьей главе дано описание квантового основного состояния внизкоразмерных силикатах Na2Cu2Si4O11·xH2O (0 < x < 2), Na2Cu5Si4O14,BaVSi2O7.Магнитные свойства Na2Cu2Si4O11·2H2O и Na2Cu2Si4O11, представленныена рисунке 1 (верхняя панель), типичны для низкоразмерных спиновых систем.Зависимости χ(Т) демонстрируют широкие максимумы при 61 и 49 K,соответственно.