Автореферат (Магнитная структура основного состояния низкоразмерных систем на основе меди и ванадия по данным ядерно-резонансной спектроскопии)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиТкачёв Алексей ВладимировичМагнитная структура основного состояниянизкоразмерных систем на основе меди и ванадияпо данным ядерно-резонансной спектроскопии01.04.09 — физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20172Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физическогофакультета МГУ имени М.В.Ломоносова.Научный руководитель:Гиппиус Андрей Андреевич, доктор физикоматематических наук, доцент.Официальные оппоненты:Якубовский Андрей Юрьевич,доктор физико-математических наук,ФГБУ Национальный исследовательский центр"Курчатовский институт", главный научныйсотрудникМихалев Константин Николаевич,доктор физико-математических наук,ФГБУН Институт физики металловимени М.Н.

Михеева Уральского отделенияРАН, главный научный сотрудникВяселев Олег Муратович,кандидат физико-математических наук,ФГБУН Институт физики твердого тела РАН,старший научный сотрудникЗащита диссертации состоится «23» ноября 2017 года в 17 часов 30 минут на заседаниидиссертационного совета МГУ.01.18 Московского государственного университета имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 8, корпус кафедрыфизики низких температур и сверхпроводимости, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотекиМГУ имени М.В.Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27) и на сайте ИАС «ИСТИНА»:https://istina.msu.ru/dissertations/77512186/Автореферат разослан «___» _____________ 2017 года.Ученый секретарьдиссертационного совета,к.ф.-м.н., доцентА.И.Ефимова3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.В настоящее время большой интерес в физике твердого телапроявляется в отношении низкоразмерных спиновых систем [1,2].

Причиной этомуявляются, с одной стороны, практические обстоятельства, такие как открытие ВТСП наоснове слоистых купратов во второй половине 80-х годов XX века [3]. С другой стороны,такие исследования представляют большой фундаментальный интерес, т.к. физическиесвойстванизкоразмерныхсистем,предсказанныетеоретическиинаблюдаемыеэкспериментально, существенно отличаются как от трехмерных магнитных структур, так имежду различными системами пониженной размерности [1,4,5].

Большое разнообразиепоследних, в свою очередь, делает эту область исследований весьма обширной имногосторонней. Большинство низкоразмерных магнитных систем построено на ионах медиCu2+ 3d9, в которых в большинстве случаев (октаэдрическое окружение) ключевую рольиграют орбитали dx2-y2 – типа [6]. Хотя, как правило, рассмотрение соединений на основемеди не нарушает общности, также иногда представляют интерес аналогичные системы сослабо заполненными 3d оболочками магнитных ионов, в которых при тех же условияхвовлечены орбитали dxy – типа.В целом, в физике низкоразмерных магнитных системостается много неисследованных направлений и есть возможность найти объекты с самымнеожиданным поведением. При этом для изучения взаимодействия магнитных иструктурных явлений в таких системах необходимы точные локальные экспериментальныеметодики, такие как ядерный магнитный и квадрупольный резонанс (ЯМР и ЯКР).Степень разработанности.

Магнитные свойства первой из рассматриваемых системBa3Cu3In4O12 изучались и ранее. В частности, были проведены обширные магнитные итермодинамическиеизмеренияипредложенамодельтрехмернойрешеткиШастри – Сазерленда [7]. Также известно о большом разнообразии экспериментальныхданных для изоструктурного соединения Ba3Cu3Sc4O12 [8-10]. Однако магнитно-резонансныеданные ограничиваются лишь скандиевыми спектрами в Ba3Cu3Sc4O12.Подавляющее большинство известных низкоразмерных спиновых систем построено наоснове ионов меди, в то время как ванадиевые системы гораздо менее разнообразны. Еслирассматриватьзигзагообразнуюструктуру(цепочкусозначимымиповеличиневзаимодействиями между ближайшими соседями и через одного), то единственнуюизвестную ее реализацию на ионах ванадия представляет In2VO5 [11-15].

В связи с этимпредставляет интерес поиск и подробное исследование других подобных соединений, вчастности BaV3O8, предшествовавшие исследования которого ограничиваются лишькристаллографической характеризацией [16].4Широко известная модель Жанга-Райса [17] хорошо изолированного спиновогосинглета для допированного состояния слоистых купратов сталкивается с рядомэкспериментальных и теоретических противоречий [18-21]. Поэтому каждое новоесвидетельство в пользу или против нее улучшает понимание условий ее применимости иприроду конкурирующих со спиновым синглетом состояний. Одним из удобных соединенийдля такого рода исследований является La2Li0.5Cu0.5O4, в отношении которого уже найденынекоторые свидетельства низколежащих конкурирующих состояний [22], хотя их природа невполне ясна.Целью настоящей работы являлось установление особенностей магнитной иэлектронной структуры в основном состоянии низкоразмерных сложных оксидов меди иванадия.Для достижения поставленной в работе цели решались следующие задачи:Разработка и создание высокочувствительного ЯМР/ЯКР-спектрометра с реализациейпринципа цифрового квадратурного детектирования для прецизионных измеренийспектров ЯМР и ЯКР, а также релаксационных измерений.Исследование фрустрированных магнитных и квадрупольных взаимодействий всоединении Ba3Cu3In4O12 с уникальной медь-кислородной структурой paper-chainметодами ЯМР и ЯКР и создание модели основного состояния системы Ba3Cu3In4O12.Выяснение природы магнитного фазового перехода при ТN ≈ 6 К во фрустрированнойсистеме BaV3O8 с зигзагообразными цепочками связанных спинов S = 1/2 типаМаджумдара-Гоша (Majumdar-Ghosh) посредством магнитных и термодинамическихизмерений, а также ЯМР-спектроскопии и релаксационных измерений на ядрах 51V.Исследование электронной структуры основного состояния изолированных (CuO4)5кластеров в двумерной дырочно-допированной системе La2Li0.5Cu0.5O4 методом ЯМР наядрах 6,7Li и сопоставление ее с простой моделью Жанга-Райса.Научная новизна.

Для соединения со структурой paper-chain Ba3Cu3In4O12 впервыепредложена модель магнитных медных тримеров а также приведены экспериментальныедоказательства в пользу ее справедливости и реализации в ней низкоспинового основногосостояния.Подробно изучена вторая известная зигзагообразная магнитная система на основеионов ванадия V4+ BaV3O8. Исследования ранее известного представителя данного классаIn2VO5 сталкиваются с большими сложностями при характеризации основного состояния ивеличин обменных взаимодействий в системе, в связи с чем актуальность изучения такихсистем по-прежнему высока.5Приведено новое свидетельство в пользу концепции конкуренции Жанг-Райсовскогосинглета с близлежащими состояниями, сформированными «допированными» дырками вLa2Li0.5Cu0.5O4, что также вносит вклад в понимание природы основного состояниядопированных купратов в целом.Теоретическая и практическая значимость работы.

Полученные в ходе работырезультаты носят фундаментальный характер и расширяют круг известных научномусообществу явлений, свойственных низкоразмерным спиновым системам. Подобноенакопление знаний ведет к более глубокому пониманию природы таких систем.Методология и методы исследования. Основным методом исследования быласпектроскопия ядерного резонанса, в частности, ядерный магнитный и квадрупольныйрезонанс, а также ядерный магнитный резонанс в нулевом поле. Большая роль при этом былаотведена динамическим измерениям, а именно, определению и анализу скоростей спинрешеточной и спин-спиновой релаксации как функции температуры в широком интервалетемператур 1.6 – 300 К.

Также в качестве вспомогательных инструментов были привлеченытакие методы как измерение магнитной восприимчивости и теплоемкости, а такжехарактеризация соединений методом порошковой рентгенографии.Положения, выносимые на защиту.1)Наличие в Ba3Cu3In4O12 в магнитно упорядоченной фазе ионов меди, как вмагнитном, так и в немагнитном состоянии, установленное ядерно-резонанснымиизмерениями.