Автореферат (Магнитные фазовые диаграммы и спиновая динамика квазидвумерных магнетиков)

На правах рукописиЗВЕРЕВА ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНАМАГНИТНЫЕ ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ И СПИНОВАЯ ДИНАМИКАКВАЗИДВУМЕРНЫХ МАГНЕТИКОВ01.04.09 – физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква, 20161Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В.ЛомоносоваНаучный консультант:Васильев Александр Николаевичдоктор физико-математических наук, профессор; Московский государственный университетимени М.В.Ломоносова, физический факультет, заведующий кафедрой физики низкихтемператур и сверхпроводимости.Официальные оппоненты:Аржников Анатолий Константиновичдоктор физико-математических наук, профессор; Физико-технический институт УрО РАН;заведующий отделом теоретической физики.Еремина Рушана Михайловнадоктор физико-математических наук, доцент; Казанский физико-технический институт им.Е.К.

Завойского, ведущий сотрудник лаборатории радиоспектроскопии и диэлектриков.Ховайло Владимир Васильевичдокторфизико-математическихнаук,профессор;Национальныйисследовательскийтехнологический университет «МИСиС», профессор кафедры функциональных наносистем ивысокотемпературных материалов.Ведущая организация:Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Уральский федеральный университет имени первогоПрезидента России Б.Н. Ельцина»Защита состоится 17 ноября 2016 г. в 1600 часов на заседании Диссертационного советаД.501.001.70 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 МГУ имениМ.В.Ломоносова и на сайте http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D5-1-001-70/.Автореферат разослан ____ ____________ 2016 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.70,кандидат физико-математических наук,доцентА.

И. Ефимова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫНизкоразмерный магнетизм с фундаментальной научной проблематикойизучения соединений с пониженной, нульмерной, одномерной (1D) илидвумерной (2D), спиновой подсистемой является одним из наиболееинтересных и бурно развивающихся направлений современной физикиконденсированных сред. В низкоразмерных магнетиках квантовая суть материипроявляется наиболее ярко, и становится возможным экспериментальнонаблюдать множество неклассических квантовых кооперативных эффектов,среди которых сверхпроводимость, волны спиновой и зарядовой плотности,скирмионовые фазы, бозе-эйнштейновская конденсация, спин-жидкостноемагнитное состояние и др.Актуальность работыБлагодаря достигнутым в наши дни замечательным успехам в областисинтеза и роста кристаллов, двумерные (или квазидвумерные) системыпредставлены в семействе низкоразмерных магнетиков особенно широко каксреди простых, одно- (двух-) компонентных соединений, так и среди сложныхмногокомпонентных кристаллов.

Вместе с тем, большинство накопленного кнастоящему моменту экспериментального материала и развитых теоретическихподходов, главным образом, относится к димерным и одномерным магнетикамсо слабым влиянием анизотропии и фрустрации, что позволяет с успехомприменятьдляописанияособенностейихмикроскопическихсвойстваналитические расчеты и теоретические модели.В двумерии, однако, влияние, как анизотропии, так и фрустрациисущественно возрастает, что значительно усложняет механизмы достиженияосновного квантового состояния и увеличивает многообразие фаз на магнитнойфазовой диаграмме. Большое количество увлекательных явлений возникает длятакихфрустрированныхпереориентационныхсистем,фазовыхвключая,например,переходов,плато3каскадыспин-намагниченности,локализованные магноны в непосредственной близости от поля насыщения,индуцированные магнитным полем нестабильности спин – пайерлсовскоготипа, гигантский магнитокалорический эффект, мультиферроичность и т.д.Конкуренцияобменныхвзаимодействийвквазидвумерныхспин-фрустрированных системах часто приводит к необычному критическомуповедению вблизи фазовых переходов и экзотическим квантовым состояниямматерии, таким как, например, спиновый лед или спиновая жидкость.Кроме того, квазидвумерные спин-фрустрированные системы частоупорядочиваются в неколлинеарные, несоизмеримые и кантованные магнитныеструктуры, чтобы уменьшить степень их спиновой фрустрации.

Такиеспиновые состояния могут убрать инверсию симметрии и, следовательно,вызвать конечную сегнетоэлектрическую поляризацию, как обнаружено длямультиферроиков TbMnO3 и CoCr2O4 с циклоидальными магнитнымиструктурами, а также для семейства делафосситов AMO2 (А = Cu, Ag; M = Fe,Cr) с геликоидальным магнитным порядком.Несмотря на большое количество, опубликованных к настоящемумоменту экспериментальных и теоретических работ, исследование магнитныхсвойств квазидвумерных магнетиков, по прежнему, носит бессистемныйхарактер, данные по спиновой динамике крайне малочисленны, а единая теория2D магнетизма отсутствует, что, на наш взгляд, безусловно, определяетактуальность диссертации.В настоящей работе впервые проведены систематические исследованиястатическихидинамическихмагнитныхсвойствширокогорядаквазидвумерных магнетиков с различной геометрией обменных связей,включая решетки типа пчелиных сот, треугольной решетки, решетки кагоме,алмазной решетки, страйп структуры и др.

Оригинальный методическийподход с использованием комплементарных методов объемной магнитометриииэлектронногоохарактеризоватьпарамагнитногомагнитныерезонансаподсистемыпозволилиустановитьформирования и параметры основных квантовых состояний.4наиболееполномеханизмыСтепень разработанностиФундаментальные научные исследования в области низкоразмерногомагнетизма ведутся достаточно давно, что обусловлено перспективамиизучения в квазиодномерных и квазидвумерных соединениях квантовыхэффектов, не имеющих аналогов в классической физике. Возможностьустановления классического дальнего магнитного порядка в низкоразмерныхмагнетиках значительно ограничена из-за сильных флуктуаций магнитногопараметра порядка, так что в таких системах обнаружен ряд новыхэкзотических состояний материи, например, спин-жидкостные состояния илифазы волны спиновой и зарядовой плотности и т.д.

Квазиодномерные системыизученыкнастоящемувременидостаточноподробно,каксэкспериментальной, так и с теоретической стороны, чему, в частности,способствовали применимость большого числа теоретических методов каналитическим расчетам в одномерных системах и успехи в областицеленаправленного синтеза модельных объектов, содержащих в структуревыделенные одномерные мотивы типа цепочек магнитных атомов. Вместе стем, двумерные и квазидвумерные магнетики изучены значительно менееподробно, тогда как количество синтезированных к настоящему моментуслоистых соединений огромно и экспоненциально растет каждый год, чтосвязаносважнымикомпьютерных,перспективамиихтелекоммуникационных,практическогопримененияэнергосберегающихивт.д.технологиях.В настоящей диссертационной работе на примере большого числа новыхквазидвумерных соединений с различной топологией магнитной подсистемыанализируются основные принципы формирования основных квантовыхсостояний и взаимосвязи как между статическими и динамическимимагнитными свойствами, так и между орбитальными, спиновыми, зарядовымии решеточными степенями свободы квазидвумерных магнетиков.5Для подавляющего большинства выбранных систем впервые удалосьопределить основные характеристики магнитной и тепловой подсистем,установить основное квантовое состояние, построить магнитные фазовыедиаграммы и детально исследовать спиновую динамику.

Экспериментальныеданные дополнены микроскопическим анализом обменных взаимодействий,который дает возможность объяснить их электронные и магнитные свойства.Цели и задачи работыОсновной целью настоящей работы было установление квантовыхосновных состояний и определение влияния размерности на спиновуюдинамику новых металлооксидных соединений с 3d переходными металлами сразличной геометрией магнитных решеток, включая решетки типа пчелиныхсот, треугольные решетки, решетки кагоме, алмазную решетку, страйпструктуры и др.

Для достижения поставленной в работе цели решалисьследующие задачи:-Исследованиетемпературныхзависимостеймагнитнойвосприимчивости и полевых зависимостей намагниченности в интервалахтемператур 2 – 350 K, статических (до 9 Тл) и, при необходимости, импульсных(до 30 Тл) магнитных полей с целью определения основных параметровмагнитной подсистемы, поиска и обнаружения магнитных фазовых переходов,в том числе спин-переориентационных, спин-флоп, спин-флип и другихиндуцированных магнитным полем переходов;- Исследование температурных зависимостей удельной теплоемкости вшироком интервале температур, включая, при необходимости, сверхнизкиетемпературы, 0.3 – 300 K при вариации приложенного внешнего магнитногополя до 9 Тл с целью установления основных тепловых параметров,критических температур структурных и магнитных фазовых переходов ипостроение магнитных фазовых диаграмм;- Исследование спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) винтервале температур 6 – 500 K в магнитных полях до 0.7 Тл с целью6определенияосновныхспин-динамическихпараметровисследуемыхквазидвумерных магнетиков, характера расходимости спин-корреляционнойдлины, установления роли фрустрации, анизотропии, выделения вкладовразличныхмагнитныхподсистем,втомчисле,систематическидлянезависимого анализа магнитных характеристик низкоразмерной подсистемы;- Определение параметров обменных взаимодействий и механизмовупорядочения, с целью построение спиновых моделей и установленияосновных квантовых состояний новых квазидвумерных металлооксидов сразличной геометрией магнитных решеток.Научная новизна работыВ настоящей работе впервые проведено систематическое исследованиестатическихидинамическихмагнитныхсвойствширокогорядаквазидвумерных магнетиков.