Диссертация (Магнитные фазовые диаграммы и спиновая динамика квазидвумерных магнетиков)

1МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ_____________________________________________________________На правах рукописиЗверева Елена АлексеевнаМАГНИТНЫЕ ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ И СПИНОВАЯ ДИНАМИКАКВАЗИДВУМЕРНЫХ МАГНЕТИКОВСпециальность 01.04.09 – физика низких температурДиссертацияна соискание ученой степенидоктора физико-математических наукКонсультант:доктор физ. – мат. наук, профессор Васильев А.Н.Москва, 20162ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………...4ГЛАВА 1. КВАЗИДВУМЕРНЫЕ МАГНЕТИКИ ………………………………………...151.1. Квазидвумерные магнетики с квадратной магнитной решеткой…………..161.2.Квазидвумерныемагнетикистреугольнойгеометриеймагнитнойподсистемы……………………………………………………………………………201.3.

Квазидвумерные магнетики с магнитной решеткой типа пчелиные соты…311.4. Квазидвумерные магнетики с решеткой кагоме………………………………47ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И АНАЛИЗ………..……………542.1. Методики измерения и анализа магнитных свойств……………………….542.2. Методика измерения и анализа удельной теплоемкости…………………….582.3. Методика измерения электронного парамагнитного резонанса, анализформы линии ЭПР и основных параметров ЭПР спектров……………………..632.4.

Мессбауэровская спектроскопия……………………………………………..732.5. Спектральный анализ XANES…………………………………………………76ГЛАВА 3. МАГНИИТНЫЕ ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ И ОСОБЕННОСТИФОРМИРОВАНИЯДАЛЬНЕГОПОРЯДКАВКВАЗИДВУМЕРНЫХМАГНЕТИКАХ С РЕШЕТКОЙ ПЧЕЛИНЫЕ СОТЫ………………………………….833.1. Реализация антиферромагнитного порядка зигзаг на решетке типа пчелиныесот в моноклинных антимонатах A3Ni2SbO6 (A=Li, Na)………………………….833.2. Зигзаг упорядочение и индуцированная орбитальной степенью свободыиерархия обменных взаимодействий в антимонатах Ag(Na)3Co2SbO6 с решеткойпчелиные соты……………………………………………………………………..1013.3. Магнитная фазовая диаграмма и спиновая динамика в Li3Co2SbO6………1133.4. Особенности формирования основного состояния и спиновая динамика вслоистом K2Mn3(VO4)2(CO3)……………………………………………………....1253.5. Ближний и дальний порядок в слоистом Na2Ni3(OH)2(PO4)2……………….132ГЛАВА 4.

ВЛИЯНИЕ ФРУСТРАЦИИ И АНТИСТРУКТУРНОГО БЕСПОРЯДКАНАОСНОВНЫЕКВАНТОВЫЕСОСТОЯНИЯВКВАЗИДВУМЕРНЫХМАГНЕТИКАХ С ТРЕУГОЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ РЕШЕТКОЙ…………………..1404.1. Возможная реализация перехода типа Березинского-Костерлица-Таулеса в2D треугольном антиферромагнетике Li4FeSbO6………………………………..1404.2. Критическая роль фрустрации и антиструктурных дефектов на магнитныесвойства Na4FeSbO6………………………………………………………………..16334.3. Фрустрация и подавление дальнего магнитного порядка на треугольноймагнитной подрешетке Li4NiTeO6………………………………………………..1884.4. Магнитная фазовая диаграмма и спиновая динамика в слоистом треугольномантиферромагнетике MnSb2O6…………………………………………………….1954.5.

Динамические магнитные свойства слоистых антиферромагнетиков соструктурой дугганита Pb3TeCo3M2O14 (M = V, P, As)…………………………209ГЛАВА 5. КВАЗИДВУМЕРНЫЕ МАГНЕТИКИ СО СЛОЖНЫМ УСТРОЙСТВОММАГНИТНОЙ ПОДСИСТЕМЫ………………………………………………….……….2175.1. Плато 1/3 намагниченности и спиновая динамика в низкоразмерноммагнетике фосфите натрия железа NaFe3(HPO3)2(H2PO3)6……………………2175.2. Конкуренция обменных взаимодействий в нецентросимметричном ванадилдифосфате цезия и меди Cs2Cu1.1(VO)1.9(P2O7)2………………………………….2315.3.

Спиновая динамика в неколлинеарных магнетиках аналогахфранцисита………………………………………………………………………....2395.4. Спиновые цепочки и особенности магнитной динамики в медно-рубидиевомдифосфате Rb2Cu3(P2O7)2………………………………………………………….2515.5. Слабый ферромагнетизм в фосфате RbCuAl(PO4)2…………………………261ГЛАВА 6. ОСОБЕННОСТИ СПИНОВОЙ ДИНАМИКИ КВАЗИДВУМЕРНЫХМАГНЕТИКОВСОСЛАБОВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИМИДИМЕРАМИИСПИНОВЫМИ ЦЕПОЧКАМИ……………………………………………………………2696.1. Спиновая динамика в 1D магнетике, диацетате ванадила VO(CH3COO)2..2696.2. Дальний порядок и особенности спиновой динамики на квадратной решеткеMnCrO4……………………………………………………………………………..2796.3.

Одномерная цепочка S=5/2 в Bi2Fe(SeO3)2OCl3……………………………..2946.4.Спиноваядинамикавдимернойсистемесиликатбария-ванадияBaVSi2O7……………………………………………………………………………3016.5. Димеры в кристалле на валентных связях урусовите CuAl(AsO4)O………308ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………….313СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕДИССЕРТАЦИИ……………………………………………………………………………..316ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………………………324ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………………………..3504ВВЕДЕНИЕНизкоразмерный магнетизм с фундаментальной научной проблематикой изучениясоединений с пониженной, нульмерной, одномерной (1D) или двумерной (2D), спиновойподсистемой является одним из наиболее интересных и бурно развивающихсянаправлений современной физики конденсированных сред.

В низкоразмерных магнетикахквантовая суть материи проявляется наиболее ярко, и становится возможнымэкспериментально наблюдать множество неклассических квантовых кооперативныхэффектов, среди которых сверхпроводимость, волны спиновой и зарядовой плотности,скирмионовые фазы, бозе-эйнштейновская конденсация, спин-жидкостное магнитноесостояние и др.Актуальность работыБлагодаря достигнутым в наши дни замечательным успехам в области синтеза ироста кристаллов, двумерные (или квазидвумерные) системы представлены в семейственизкоразмерных магнетиков особенно широко как среди простых, одно- (двух-)компонентных соединений, так и среди сложных многокомпонентных кристаллов. Вместес тем, большинство накопленного к настоящему моменту экспериментального материалаи развитых теоретических подходов, главным образом, относится к димерным иодномерным магнетикам со слабым влиянием анизотропии и фрустрации, что позволяет суспехомприменятьдляописанияособенностейихмикроскопическихсвойстваналитические расчеты и теоретические модели.В двумерии, однако, влияние, как анизотропии, так и фрустрации существенновозрастает, что значительно усложняет механизмы достижения основного квантовогосостояния и увеличивает многообразие фаз на магнитной фазовой диаграмме.

Большоеколичество увлекательных явлений возникает для таких фрустрированных систем,включая, например, каскады спин-переориентационных фазовых переходов, платонамагниченности, локализованные магноны в непосредственной близости от полянасыщения, индуцированные магнитным полем нестабильности спин – пайерлсовскоготипа, гигантский магнитокалорический эффект, мультиферроичность и т.д.

Конкуренцияобменных взаимодействий в квазидвумерных спин-фрустрированных системах частоприводит к необычному критическому поведению вблизи фазовых переходов иэкзотическим квантовым состояниям материи, таким как, например, спиновый лед илиспиновая жидкость.5Крометого,упорядочиваютсявквазидвумерныенеколлинеарные,спин-фрустрированныенесоизмеримыеисистемыкантованныечастомагнитныеструктуры, чтобы уменьшить степень их спиновой фрустрации.

Такие спиновыесостояния могут убрать инверсию симметрии и, следовательно, вызвать конечнуюсегнетоэлектрическую поляризацию, как обнаружено для мультиферроиков TbMnO 3 иCoCr2O4 с циклоидальными магнитными структурами, а также для семействаделафосситов AMO2 (А = Cu, Ag; M = Fe, Cr) с геликоидальным магнитным порядком.Несмотря на большое количество, опубликованных к настоящему моментуэкспериментальныхитеоретическихработ,исследованиемагнитныхсвойствквазидвумерных магнетиков, по прежнему, носит бессистемный характер, данные поспиновой динамике крайне малочисленны, а единая теория 2D магнетизма отсутствует,что, на наш взгляд, безусловно, определяет актуальность диссертации.Внастоящейработевпервыепроведенысистематическиеисследованиястатических и динамических магнитных свойств широкого ряда квазидвумерныхмагнетиков с различной геометрией обменных связей, включая решетки типа пчелиныхсот, треугольной решетки, решетки кагоме, алмазной решетки, страйп структуры и др.Оригинальный методический подход с использованием комплементарных методовобъемной магнитометрии и электронного парамагнитного резонанса позволил наиболееполно охарактеризовать магнитные подсистемы и установить механизмы формирования ипараметры основных квантовых состояний.Степень разработанностиФундаментальные научные исследования в области низкоразмерного магнетизмаведутся достаточно давно, что обусловлено перспективами изучения в квазиодномерных иквазидвумерных соединениях квантовых эффектов, не имеющих аналогов в классическойфизике.