Автореферат (Квантовые основные состояния низкоразмерных магнетиков), страница 4

Вместе с тем, широкий максимумна зависимости χ(Т) и аномалия Шоттки на зависимости С(Т), свидетельствуюто присутствии S = 1 антиферромагнитных димеров с Δ = 11 К. Структурно этидимеры вероятно расположены по рангу спиновой лестницы. Для объясненияпредполагаемогососуществованиядальнегомагнитногопорядкаидимеризации можно было бы в первую очередь предположить наличиепотенциальных дефектов в структуре Rb3Ni2(NO3)7. Так, отсутствие одного изатомов в димере привело бы к появлению свободного магнитного центра Ni2+.Известно, что внедрение примесных центров никеля в спин – ПайерлсовскоесоединениеCuGeO3проявляетсяввидеформированиядальнего19антиферромагнитногопорядкасвойствасвязанымогутбытьв системе [5]. Однако, наблюдаемыетакжесприсутствиемвзаимодействияДзялошинского – Морийя и обменными магнитными взаимодействиями междудимерами в Rb3Ni2(NO3)7.

Ранее в Cu2Te2O5Br2, где содержатся тетраэдры S =1/2, наблюдалось сосуществование низкоэнергетической динамики синглета ислабого антиферромагнетизма, наведенного взаимодействием ДзялошинскогоМорийя [6].Исследование основного ферримагнитного состояния TC = 5.5 K ± 0.25 Kв Ni(NO3)2, где магнитная подсистема представляет собой решетку кагоме изатомов Ni1, с атомами Ni2 в гексагональных пустотах, осуществлялось путемисследованиятермодинамическихсвойств,спектровпоглощениярентгеновского излучения и проведения первопринципных теоретическихрасчетов энергетического спектра. Основное состояние Ni(NO3)2 может бытьописано довольно сложной магнитной моделью, где изотропные обменныеантиферромагнитные взаимодействия формируют трехмерную магнитнуюструктуру со спонтанным моментом.В пятой главе рассмотрен ближний и дальний порядок в цепочках иплоскостях низкоразмерных металлооксидов Li2CuZrO4, Cu2As2O7, α -Cr3(PO4)2и AgFeO2.В структуре γ -Li2CuZrO4 ионы меди формируют ленты из соединенныхпо ребру квадратов CuO4, как показано на рисунке 5.

Угол связи ∠Cu – O – Cuсоставляет 94о, что отвечает ферромагнитному обмену и близко к критическомузначению угла связи медь – кислород – медь 96о, разделяющему ферро- иантиферромагнитное значения обменного магнитного взаимодействия [7].Ионы лития занимают две позиции, причем позиция Li1, которая находитсямежду слоями Cu-Li, наполовину заполнена и подвижна.20Рисунок 5.

Элементарная ячейка γ Li2CuZrO4.КатионыCu2+мединаходятся в квадратном окруженииатомовкислорода,находятсявкатионыZr4+октаэдрическомкислородном окружении, отдельныесферыобозначаютдвепозицииионов Li+.Для установления температуры магнитного упорядочения в системеLi2CuZrO4 были выполнены подробные низкотемпературные измерениямагнитной восприимчивости, теплоемкости и спектров рассеяния мюонов,представленные на рисунке 6. Видно, что максимум при 8 К на температурнойзависимости магнитной восприимчивости χ(Т) не соответствует формированиюмагнитоупорядоченного состояния. Дальний магнитный порядок возникает приболее низкой температуре TN = 6.8 K, при которой демонстрируют аномалиютемпературные зависимости производной магнитной восприимчивости dχ/dT,-25Рисунок4представленыdχ/dTχ 10 (emu/mole)теплоемкость C и скорость релаксации мюонов.3cp (J/moleK)TN = 6.8K84642200051015T (K)202530Transversal relaxation rate (MHZ)1066.Наверхнейпанелитемпературныезависимостимагнитнойвосприимчивости и ее производной вLi2CuZrO4.НапредставленызависимостьскоростиLi2CuZrO4.нижнейпанелитемпературнаятеплоемкостирелаксациимюоновив21Обменноевзаимодействие в цепочке между ближайшими соседямииз первопринципных расчетов было найдено ферромагнитным J1 = 151 K,следующее за ближайшим – антиферромагнитным J2 = 35 K (α = -J2/J1 = 0.23),что позволяет рассматривать Li2CuZrO4, как систему расположенную вблизиквантовой критической точки αС = 0.25, разделяющей ферромагнитнуюцепочку 0 < α <αС и антиферромагнитный геликоид α > αС.

Межцепочечноевзаимодействие составило J3 = 6 К. Если построить фазовую диаграммуизвестных соединений с медными цепочками, как показано на рисунке 7 (леваяпанель),Muon spin polarization1.00.50.00.00.20.40.60.8Time (μs)Рисунок7.Эмпирическиеединицытемпературымаксимуманавосприимчивости Tmχ, отнесенные к значению параметра J2, полученного вмодели J1-J2(FM-AFM) фрустри-рованной цепочки в купратах (черныеквадраты). 0: αс = 0.25; 1: Li2CuZrO4; 2: Pb2[CuSO4(OH)2]; 3: Rb2Cu2Mo3O12;4:Cs2Cu2Mo3O12; 5: LiCu2O2; 6:NaCu2O2; 7:LiCuVO4; 8:SrCuO2. Измеренныезначения угла поворота в спирали приведены в скобках. Закрашенные точкипредставляютрезультаттеоретическогорасчетаметодомполнойдиагонализации в модели J1-J2 на кластере N=20. На вставке представленазависимость для температуры максимума (левая панель).

Временныезависимости мюонной спиновой поляризации Li2CuZrO4 при 1.6 К. Сплошнойлиниейпоказанааппроксимациявмоделинеколинеарногопорядка,пунктирной линией показана аппроксимация в коллинеарно упорядоченноймодели (правая панель).22тоLi2CuZrO4оказываетсясамым близким к критическому значению αС,что позволяет предположить для него в качестве квантового основногосостояния несоизмеримый длиннопериодный геликоид.

ЭкспериментальноквантовоеосновноесостояниеLi2CuZrO4исследовалосьспомощьюдеполяризации мюонов. Как показано на рисунке 7 (правая панель), временнаязависимость мюонной спиновой поляризации, полученная при 1.6 К,значительно лучше описывается в модели неколлинеарного порядка, посравнению с коллинеарно упорядоченной моделью.ТермодинамическиесвойствановогонизкоразмерногосоединенияCu2As2O7 свидетельствуют о присутствии ближнего и дальнего порядка всистеме. Ближний порядок можно описать в модели альтернированнойцепочки,чтоподтверждаетсякристаллографическимиданнымиипервопринципными расчетами обменных магнитных взаимодействий. Главноеи более слабое обменное взаимодействие в цепочке можно оценить как J1 = 165K и J1′ = 85 К.

Формирование дальнего антиферромагнитного порядкапроисходит при TN = 13 К в системе за счет более слабых межцепочечныхобменных взаимодействий, которые можно оценить как J2′ = 40 K и J3′ = 20 К.Ортофосфат хрома (II) α-Cr3(PO4)2 содержит в своей структуре шестькристаллографически независимых позиций атомов хрома, причем атомы впозициях Cr1 - Cr5 находятся в четырехугольном кислородном окружении типаплакетки с координационными расстояниями 1.96 ≤ d(Cr-O) ≤ 2.15 Å.

ПозицияCr6 находится в пирамидальном кислородном окружении с расстояниями 1.97 ≤d(Cr-O) ≤ 2.29 Å. Расположение структурных единиц в α-Cr3(PO4)2 можнопредставитьввидеплотноупакованныхтрубок(параллельнокристаллографической оси b) с катионами Cr2+ на внутренней поверхности итетраэдровPO4нанаружнойповерхностиатакжевнутритрубок.Пространственное расположение ионов Cr2+ напоминает двойную спираль, какв молекуле ДНК.Этосоединениепредставляетсобойредкийслучайслабогоферримагнетика, основанного лишь на одном переходном металле Cr2+.

В23магнитоупорядоченномдемонстрируетсостоянии нижепоследовательностьTC=обращения29Kα-Cr3(PO4)2намагниченности,чувствительную к протоколу измерений, то есть режимов охлаждения в полеили без поля. Значительная редукция эффективного магнитного момента 4.5μB/Cr2+, по сравнению со спиновым моментом 4.9 μB/Cr2+, не может бытьприписана к низкоспиновому состоянию какой – либо из кристаллографическихпозиций Ян – Теллеровских катионов 3d4 Cr2+. Спектры поглощениярентгеновского излучения вблизи К-края указывают на двухвалентноевысокоспиновое состояние хрома.

Слабый ферримагнетизм и несколькообращений намагниченности, наблюдаемые в этом соединении, могут бытьотнесены к неполной компенсации и искажению парциальных функцийнамагничивания Cr2+ в шести независимых кристаллографических позициях.В целом поведение феррита серебра близко к поведению классическогоделафоссита CuFeO2. AgFeO2 так же, как и его медный аналог, демонстрируетдва фазовых перехода при низких температурах при Т1 = 7 К и Т2 = 15 К,соответствующих формированию различных магнитных структур при Т < T1 ив интервале T1 < T < T2.

В отличие от CuFeO2 волновой вектор магнитнойструктуры в AgFeO2 в интервале T1 < T < T2 не зависит от температуры. Данныепо теплоемкости указывают на то, что умеренные магнитные поля неоказываютзначительноговлияниянаизменениеэнтропии.Значенияпараметров обменного взаимодействия в AgFeO2 несколько превышаютсоответствующие значения в CuFeO2. Температура Вейсса Θ ~ -160 К в AgFeO2заметно превышает температуру Вейсса Θ ~ -70 К в CuFeO2 [8]. Феррит серебраболее фрустрирован, так как соотношение температуры Вейсса Θ итемпературы магнитного упорядочения T2 составляет ~ 10 в AgFeO2, и ~ 5 вCuFeO2.