Флуктуационные эффекты в низкоразмерных локализованных и зонных магнетиках

Институт физики металлов УрО РАННа правах рукописиКатанин Андрей АлександровичФлуктуационные эффектыв низкоразмерныхлокализованныхи зонных магнетикахСпециальность 01.04.09 – физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукЕкатеринбург2011Работа выполнена в отделе теоретической физики Института ФизикиМеталлов УрО РАН (г. Екатеринбург)Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук,профессор, С. В. МалеевДоктор физико-математических наук,профессор, А. Ф. БарабановДоктор физико-математических наук,А. Н. РубцовВедущая организацияИнститут химии твердого телаУрО РАН (г.

Екатеринбург)Защита состоится "17" ноября 2011 г. в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: Россия, 119991, ГСП-1,Москва,Ленинскиегоры,дом1,стр.коллективного пользования физического35,конференц-залЦентрафакультета МГУ имени М.В.ЛомоносоваС диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “___” __________ 2011 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.001.70,доктор физико-математических наук,профессор2Плотников Г.С.Актуальность темы.Исследованиенизкоразмерногомагнетизма-важнаязадачасовременной физики твердого тела.

Экспериментальный интерес к этойпроблемесвязансвысокотемпературныхмагнитнымисвойствамисверхпроводников,медно-оксидныхорганическихсоединений,ферромагнитных пленок, мультислоев и поверхностей [1, 2]. Хотясущественный прогресс в теории основного состояния и термодинамическихсвойствслоистыхсистембылдостигнутблагодаряиспользованиючисленных методов (квантовый метод Монте-Карло и метод ренормгруппы),аналитические подходы, позволяющие описать термодинамические свойстваслоистых систем в широком интервале температур, являются важными какдля теоретического понимания физических свойств этих систем, неочевидных из результатов численных расчетов, так и для практических целейописания реальных соединений.Для аналитического описания квазидвумерных магнитных систем слокальными моментами (K 2 NiF 4 , Rb 2 MnF 4 , La 2 CuO 4 , K 2 CuF 4 и т.д.) внастоящее время используются в основном различные варианты спинволновой теории, применимые, однако, лишь при низких температурахTTM .

При более высоких температурах T ∼ TMоказываютсянедостаточными.Вчастности,эти приближениявеличинатемпературымагнитного перехода, получаемая в спин-волновых теориях, оказываетсязавышенной по сравнению с экспериментальными данными, критическоеповедение описывается также неправильно. Эти недостатки связаны с учетомдинамического взаимодействия спиновых волн в наинизшем, борновском,приближении по магнон-магнонному взаимодействию.Для правильногоописания термодинамических свойств в широком температурном интерваленеобходимо суммирование ведущих вкладов в термодинамические величиныво всех порядках теории возмущений. В частности, в критической областимагнитные возбуждения имеют существенно неспинволновой (критический)характер. Кроме того, в магнитных системах с анизотропией «легкая3плоскость» возникают топологические возбуждения (вихри), не учитываемыев рамках спин-волновой теории.Спин-волновая теория является также неприменимой для описания ещеодного класса низкоразмерных магнитных систем с локальными моментами систем, содержащие цепочки магнитных атомов.

Существует множествореальных соединений, являющихся квазиодномерными, то есть обладающихмаленьким межцепочечным обменом. Сюда принадлежат, например, такиесоединения, как KCuF 3 , Sr 2 CuO 3 (спин S = 1/ 2 ), CsNiCl 3 ( S = 1 ), CsVCl 3( S = 3/ 2 ) и т.д. Существующие подходы описания параметров основногосостояния и термодинамических свойств этих систем основаны нарассмотрениичистоодномерногопредела(Бете-анзац,точнаядиагонализация, различные версии численной ренормгруппы, квантовыйметодМонте-Карлоит.д.),ихобобщениенаслучайналичиямежцепочечного обмена не тривиально. Таким образом, представляетинтерес развитие теоретических подходов, которые могут адекватно описатьситуацию в квазиодномерных магнетиках в присутствии межцепочечногообмена.Межцепочечноеприближениесреднегополя[3-5]неудовлетворительно для описания экспериментальных данных, поскольку ононепринимаетвовниманиеэффектыкорреляциймеждуспинами,расположенными на разных цепочках.Описание слабых зонных магнетиков в рамках теории возмущенийтакжесталкиваетсясозначительнымитрудностямивприсутствиисингулярностей Ван-Хова в электронном спектре.

Эти сингулярностинаиболее типичны для двумерных систем, но могут также появляться втрехмерныхсистемахвсвязисналичиемлиний«слившихся»сингулярностей, возникающих из-за геометрических особенностей решеткилибо других факторов [6]. Ситуация в присутствии ван-хововских (ВХ)сингулярностей во многом аналогична проблеме одномерных зонных систем[7], где применение ренормгрупповых подходов оказалось особенноэффективным.4Помимо магнитных неустойчиостей, для зонных систем актуальнапроблема исследования возможности формирования сверхпроводящегосостояния в присутствии магнитных флуктуаций. В то время, как вотсутствиивзаимодействияэлектронов«обычной»сверхпроводимостисрешеткойформированиеБардина-Купера-Шриффера(БКШ)сосверхпроводящей щелью, однородной вдоль Ферми-поверхности, являетсязатруднительным, магнитные флуктуации могут приводить к «необычным»типамсверхпроводимостиизменяющейсяявилась[8-12].Висследованийчастности,вТеснаясущественноантиферромагнетизмом (АФМ) и сверхпроводимостью d - типаинтенсивныхповерхности.щелью,междудесятилетийФермисверхпроводящейсвязьпредметомнасотечениесвойствапоследнихдвухвысокотемпературныхсверхпроводящих материалов (ВТСП) считаются глубоко связанными сантиферромагнитными корреляциями имеющимися в этих материалах.

Внекоторых системах (например, слоистом рутенате Sr 2 RuO 4 [15]) наиболеевероятным типом сверхпроводящего спаривания является спариваниетриплетного типа. Было предложено, что спаривание в этом материалевозникает благодаря ферромагнитным спиновым флуктуациям [16].Проблеманефермижидкостногоповедениязонныхсистем,обусловленного магнитными флуктуациями, также привлекает к себе многовнимания в последнее время и обычно связывается с нарушениемквазичастичной концепции в некотором диапазоне энергий вокруг уровняФерми.Важныйпример-явлениепсевдощели,наблюдаемоевнизкодопированных ВТСП соединениях [17].

Исходно, формированиепсевдощели благодаря АФМ корреляциям было исследовано в рамкахмодельной формы магнитной восприимчивости в [17-19]. Последующиеисследования формирования псевдощели в двумерной модели Хаббардаиспользовали ФЛЕКС-приближение [20], двухчастично-самосогласованноеприближение (TPSC) [21] и приближение динамического кластера [22]. Приэтом режим слабой и промежуточной связи при неполовинном заполнении5являетсямалоисследованнымвнастоящеевремяипредставляетнесомненный интерес для исследования.

Даже вне попыток описания физикиВТСП материалов, изучение формирования псевдощели и его связи снарушением концепции Ферми жидкости (ФЖ)в рамках модельныхподходов является важным с теоретической точки зрения.Цели и задачи работыЦелью работы является создание и применение методов, позволяющихкачественно и количественно описать особые свойства низкоразмерныхсистем, связанные с наличием сильных магнитных и сверхпроводящихфлуктуаций. Для достижения данной цели было необходимо решитьследующие задачи:1. Разработка теоретических подходов к описанию квазидвумерныхмагнитных систем с локальными моментами, допускающих получениепростых аналитических выражений для температур магнитного перехода.2.Разработкаквазиодномерныетеоретическихмагнитныеподходов,системыспозволяющихлокальнымиописатьмоментамизапределами межцепочечной теории среднего поля и допускающих получениепростых аналитических выражений для температуры магнитного переходаэтих систем.3.

Развитие и применение существующих ренормгрупповых подходов кописаниюдвумерныхколлективизированныхмагнитныхсистемвприсутствии сингулярностей Ван-Хова.4. Вычисление спектральных функций двумерных систем вблизиферро- и антиферромагнитных неустойчивостей в режиме слабого ипромежуточногокулоновскоговзаимодействияврамкахподходафункциональной ренормгруппы.5.Разработкаметодадинамическойвершины,определить спектральные функции в режиме сильной связи.6позволяющегоНаучная новизна работыНижеследующие результаты настоящего исследования были полученывпервые:• аналитическиевыражениядлятемпературКюрииНееляквазидвумерных систем с анизотропией «легкая ось», учитывающиепоправки к результатам спин-волновой теории и согласующиеся сэкспериментальными данными;• аналитические выражения для температур Нееля и Костерлица-Таулесаквазидвумерныхучитывающиесистемпоправкисканизотропиейрезультатам«легкаяспин-волновойплоскость»,теорииисогласующиеся с экспериментальными данными;• аналитические выражения для температуры Нееля квазиодномерныхсистем со спином S=1/2, учитывающие поправки к результатаммежцепочечнойтеориисреднегополяисогласующиесясэкспериментальными данными• результаты для фазовых диаграмм двумерной модели Хаббарда принеполовинномзаполненииврамкахметодафункциональнойренормгруппы.• результаты для спектральных функций двумерной модели Хаббарда принеполовинномренормгруппызаполнениииврамкахприближенияметодафункциональнойдинамическойвершины,демонстрирующие сильную анизотропию спектральных свойств наФерми-поверхности.Основные положения, выносимые на защиту:1) Построена количественная теория квазидвумерных магнетиков санизотропией типа «легкая ось» и «легкая плоскость», согласующаяся сэкспериментальными данными.72)ПредложенновыйметодвычислениятемпературНееляквазиодномерных изотропных магнетиков, приводящий к согласию сэкспериментальными данными3) Определены фазовые диаграммы двумерной модели Хаббарда при ванхововскихзаполнениях;продемонстрированоналичиеконкуренцииразличных параметров порядка и существенное отличие результатов отпредсказаний теории среднего поля4) Продемонстрировано наличие сильной анизотропии спектральныхсвойствдвумерноймоделиХаббардавблизиантиферромагнитнойнеустойчивости в качественном согласии с экспериментальными данными.5) Установлен эффект пред-расщепления Ферми поверхности вблизиферромагнитной неустойчивости.Практическое значение работы состоит в разработке и реализациитеоретических подходов, позволяющих описать флуктуационные эффекты внизкоразмерныхлокализованныхпринципиальноважнымидляизонныханализамагнетиках,являющиесяэкспериментальныхданных.Полученные результаты для намагниченности и температур магнитногофазового перехода локализованных систем, а также фазовых диаграмм испектральных свойств зонных систем представляются необходимыми дляанализа экспериментальных данных низкоразмерных магнетиков.Апробация работыРезультаты работы докладывались на конференциях: «17-й семинар поспиновым волнам» (г.

Санкт-Петербург, 1998 г.), «Новые магнитныематериалы для микроэлектроники» (г. Москва, 1999 г.), «12-я конференцияпо сильнокоррелированным системам» (г. Триест, Италия, 2000 г.),«Электронная структура и магнетизм сильнокоррелированных систем» (г.Миасс, 2001 г.), Гордоновская конференция по сверхпроводимости (г.Оксфорд, Англия, 2001 г.), «Ежегодная конференция немецкого физического8сообщества» (г.