Автореферат (Дальний магнитный порядок и метамагнитные превращения в редкоземельных франциситах Cu3RE(SeO3)2O2Cl)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования«Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиЗахаров Константин ВладимировичДАЛЬНИЙ МАГНИТНЫЙ ПОРЯДОК И МЕТАМАГНИТНЫЕПРЕВРАЩЕНИЯ В РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ФРАНЦИСИТАХCu3RE(SeO3)2O2ClСпециальность: 01.04.09 – физика низких температурАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА - 2016Работа выполнена на кафедре физики низких температур исверхпроводимости физического факультета Московского государственногоуниверситета имени М.В.Ломоносова.Научный руководитель:Маркина Мария Михайловнакандидат физико-математических наук, доцент, кафедра физики низкихтемператур и сверхпроводимости физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.Официальные оппоненты:Свистов Леонид Евгеньевичдоктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институтфизических проблем им.

П.Л. Капицы РАНПопова Елена Арнольдовнакандидат физико-математических наук, доцент, департамент электроннойинженерииМосковскогоинститутаэлектроникииматематикиНационального исследовательского университета Высшая школа экономикиВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институтспектроскопии Российской академии наук (ИСАН)Защита состоится « 23 » марта 2017 г. в 17 часов 30 минут на заседанииДиссертационного Совета Д.501.001.70 в МГУ имени М.В.Ломоносова поадресу г.

Москва, ГСП-1, Ленинские горы д.1, стр. 35, конференц-зал Центраколлективного пользования физического факультета МГУ имениМ.В.Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московскогогосударственного университета имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «___» __________2017 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.001.70,кандидат физико-математических наук, доцент2А. И. ЕфимоваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияФундаментальной научной проблемой, на решение которой направленадиссертационная работа, является формирование квантовых основныхсостояний в низкоразмерных и фрустрированных магнетиках.Актуальность проблемы связана с тем фактом, что формированиеквантовых основных состояний в низкоразмерных и фрустрированныхмагнетиках происходит не по классическому сценарию для трехмерногоферро- или антиферромагнетика, а для каждого конкретного объекта зависитот размерности магнитной подсистемы и типа ее организации (магнитныйдимер, однородная или альтернированная цепочка, спиновая лестница,«пчелиные соты», решетка кагоме и т.д.).

В результате изучение каждогонового соединения или семейства соединений с необычным поведениембазовых термодинамических характеристик представляет собой задачу,решение которой вносит важный вклад в понимание физики объектов настыке твердого тела, магнетизма и сверхпроводимости.Данная диссертационная работа посвящена свойствам слоистыхсоединений Cu3RE(SeO3)2O2Cl (RE = Y, La - Lu) со структурой минералафранцисита. В этих соединениях в кагоме слоях, образованных ионами меди,при низких температурах формируется сложная неколлинеарная магнитнаяструктура.Приэтоммеждусобойсоседниеслоиориентированыантиферромагнитно.

В умеренных магнитных полях во франциситахпроисходятметамагнитныепревращениясустановлениемобщейферримагнитной структуры. Варьирование редкоземельных ионов в позицииRE, располагающихся между слоями, также оказывает влияние на магнитнуюсистему.Цели диссертационной работыЦельдиссертационнойработы-проведениесистематическогоисследования различных термодинамических свойств новых соединений 3редкоземельныхфранциситовCu3RE(SeO3)2O2Cl(RE = Y,La - Lu).Конкретными задачами являются: установление механизмов формированиянеколлинеарных магнитных структур и метамагнитных превращений внизкоразмерных и фрустрированных кагоме магнетиках со структуройфранцисита Cu3RE(SeO3)2O2Cl (RE = Y, La - Lu), определение параметровмагнитных подсистем, построение магнитных фазовых диаграмм, а такжевлияние вариации ионов в позиции RE на магнитные свойства франциситов.Научная новизна работыОбъектом исследования являются новые соединения - редкоземельныефранциситы Cu3RE(SeO3)2O2Cl (RE = Y, La - Lu), все экспериментальныеданные, представленные в работе, получены впервые.

Также впервыеустановлены температуры магнитных фазовых переходов и критическиемагнитныеполяметамагнитныхпревращенийвэтихсоединениях,определена их природа, получены характеристики магнитной подсистемы ипостроены магнитные фазовые диаграммы.Практическая значимость работыПрактическаяCu3RE(SeO3)2O2Clзначимость(RE = Y,исследуемогоможетLa - Lu)семействабытьсоединенийобусловленаегоуникальными свойствами:- наличие метамагнетизма – резкого возрастания намагниченности твердоготела при достижении критического поля – может быть использовано вустройствах спинтроники и плотной магнитной записи, а также в качествематериала для контролируемого изменения поглощения электромагнитногоизлучения в широком интервале частот.

Широкополосное поглощениеэлектромагнитногоизлучениявнастоящеевремяявляетсяоченьвостребованным свойством для многих областей современной электроники;4-вофрустрированныхструктурахближайшиеантиферромагнитноупорядоченные магнитные моменты не могут одновременно минимизироватьсвои обменные энергии, что приводит к их подкосу. Это сопровождаетсяформированием неколлинеарного ближнего магнитного порядка, то естьспиральных или циклоидальных структур, и, в свою очередь, появлениемтаких практически значимых эффектов, как мультиферроэлектричество ибольшой магнитоэлектрический отклик;- кристаллическая структура франциситов содержит туннели, внутрикоторых могут свободно двигаться анионы галогенов, что делает ихпригодными для использования в аккумуляторах, работающих на ионнойпроводимости.Обоснованность и достоверностьДостоверность научных результатов, полученных в диссертационнойработе,определяетсяэкспериментальныхиспользованиемметодов,широковоспроизводимостьюприменяемыхрезультатовприповторных измерениях, согласием полученных данных с результатамичисленных расчетов, а также с экспериментальными данными, известными излитературы.Положения, выносимые на защиту-Установленоформированиедальнегомагнитногопорядкавсинтетических аналогах минерала францисита Cu3RE(SeO3)2O2Cl (RE = Y,Sm, Eu, Lu) и определены базовые характеристики магнитной подсистемы вэтих объектах в парамагнитном и магнитоупорядоченном состояниях;- в магнитоупорядоченном состоянии обнаружены индуцированныемагнитнымполемтрансформациейметамагнитные6-подрешеточнойпревращения,связанныеантиферромагнитнойфранцисита в 3-подрешеточную ферримагнитную структуру;5сструктуры- в магнитоупорядоченном состоянии синтетических франциситовCu3RE(SeO3)2O2Cl(RE =низкотемпературныеSm,фазовыеYb)обнаруженыпереходы,дополнительныеобусловленныеэффектамивзаимодействия подсистем редкоземельного и переходного металлов;- в измерениях теплоемкости и диэлектрической проницаемостиобнаружен структурный фазовый переход в Cu3Bi(SeO3)2O2Cl.Апробация работыМатериалы диссертации были представлены на семи научныхконференциях и симпозиумах:1.

XXXVII Совещание по физике низких температур, Казань, Россия,2015.2. XVI International Feofilov Simposium on spectroscopy of crystals dopedwith rare earth and transition metal ions, Санкт-Петербург, Россия, 2015.3. XXI-я Всероссийская Конференция «Оптика и спектроскопияконденсированных сред» (ОСКС-2015) Краснодар, Россия, 2015.4. Заседание Научного совета РАН по физике конденсированных сред,секция “Магнетизм”, Москва, Россия, 2015.5.Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2014),Москва, Россия, 2014.6.XIII Конференция молодых ученых "Актуальные проблемынеорганической химии", Звенигород, Россия, 2014.7.

Заседание Научного совета РАН по физике конденсированных сред,секция “Магнетизм”, Москва, Россия, 2014.6ПубликацииПо результатам исследований, отраженных в данной диссертационнойработе, опубликованы три работы в ведущих реферируемых научныхжурналах, входящих в перечень ВАК, и 7 работ в сборниках трудовмеждународных и российских конференций и симпозиумов. Полученныерезультаты являются оригинальными и формируют мировой уровеньисследований в плане изучения неколлинеарных магнитных структур иметамагнитных превращений в квазидвумерных антиферромагнетиках соструктурой францисита.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, литературного обзора, описанияэкспериментальных методов, трех экспериментальных глав, заключения,библиографического списка.

Общий объем диссертации составляет 129страниц, включая 84 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 70наименований.Личный вклад автораАвтором лично проведены все представленные в диссертацииизмерениямагнитныхсвойств,теплоемкостиидиэлекрическойпроницаемости. Остальные экспериментальные данные и первопринципныерасчеты получены в соавторстве. Автором проведен анализ данных,получены основные параметры магнитных систем исследуемых соединений,построены магнитные фазовые диаграммы.7СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе (Введение) обосновывается актуальность темыдиссертационной работы, излагается современное состояние проблемы,формулируется общая постановка задачи, описывается краткое содержаниеработы по главам.Вторая глава (Литературный обзор) состоит из трех параграфов.Первый параграф (2.1) посвящен особенностям магнитной структурыCu-содержащих соединений с решеткой кагоме на примере семействагербертсмитита ACu3(OH)6Cl2 (A = Zn, Mg) и изофталата меди.Во втором параграфе (2.2) описываются свойства минерала франциситаCu3Bi(SeO3)2O2Cl, а также его изоструктурных синтетических аналогов сзаменой висмута на редкоземельный ион или галогена на бром.

Отмечается,что структура данного соединения слоистая, в слоях в плоскости abрасполагаютсяионымедивквадратномкислородномокружении,формирующие решетку кагоме. Между слоями находятся ионы висмута вкубическом кислородном окружении и тетраэдры SeO3 [1]. При температуреНееля ~ 24 К в висмутовых франциситах происходит антиферромагнитноеупорядочение, при этом кагоме слои имеют скошенный ферромагнитныйпорядок.