Диссертация (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 температурДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физико-математических наукГиппиус А.А.Москва – 20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………...………...……………………………………………...4ГЛАВА 1.

МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СПИНОВЫХСИСТЕМ……………………………………………………………………….…..…101.1.Димер как простейший пример низкоразмерной системы…………….……141.2.Квазиодномерные магнетики………………………………………………….201.2.1. Однородная цепочка с полуцелочисленным спином………………...………201.2.2. Альтернированная цепочка полуцелочисленных спинов………….………..261.2.3. Однородная цепочка полуцелочисленных спинов с nn и nnnвзаимодействиями…………………………………………………....………...331.3.Квазидвумерные магнетики…………………………………………………...421.3.1.

Квадратная решетка……………………………………………………………421.3.2. Другие модели двумерных решеток…………………………………………..501.3.3. Модель Жанга-Райса и возможные отклонения от нее……………………...57ГЛАВА 2. МЕТОДИКА……………………………………………………...……...632.1. Основы методов ЯМР-ЯКР………………………………………………………632.2. Экспериментальная установка для наблюдения эффекта ЯМР в нулевом полеи ЯКР…………………………………………………………………………..……….682.3. Комплекс программ для проведения экспериментов ЯМР в нулевом поле иЯКР……………………………………………………………………………………..762.4.

Заключение по главе 2…….…...……………………...........................................84ГЛАВА 3. СОЕДИНЕНИЕ СО СТРУКТУРОЙ paper-chain Ba3Cu3In4O12 ИОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ АТОМОВ МЕДИ ВНЕМ…………………………………………………………………………….……...863.1. Структура paper-chain……………………………………………………………863.2. Тримеры CuI-2CuII в Ba3Cu3In4O12……………………………………………….9033.3. Измерения в отсутствие внешнего поля (ЯКР и ЯМР в нулевом поле) вBa3Cu3In4O12…………………………………………………………………………...973.4.

Измерения ЯМР с разверткой по полю…………..……………………………1123.5. Заключение по главе 3…………………………………..……………………...120ГЛАВА 4. СИСТЕМА МАГНИТНО ФРУСТРИРОВАННЫХКВАЗИОДНОМЕРНЫХ СПИНОВЫХ ЦЕПОЧЕК СО СПИНОМ S = ½ ВBaV3O8…………………………………………….……………………..…………...1244.1. Магнитные свойства ванадиевых одномерных спиновых цепочек…..……...1244.2. Кристаллическая структура BaV3O8 и его магнитные свойства………..……1254.3. Ядерный магнитный резонанс на 51V в BaV3O8…………………..…………...1344.4. Заключение по главе 4……………….………………………………………....144ГЛАВА 5.

НЕ ЖАНГ-РАЙСОВСКИЕ МЕДНЫЕ ЦЕНТРЫ Cu3+ ВLa2Li0.5Cu0.5O4………………………………………………..…………………...….1475.1. Природа допированных дырками купратов……………..…………………….1475.2. Ядерный магнитный резонанс на 6,7Li в La2Li0.5Cu0.5O4……..…….……….…1505.3. Заключение по главе 5…………………………………………………….........160ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..……...162БЛАГОДАРНОСТИ…….……………………………………………..…………...165СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕДИССЕРТАЦИИ…………………………………………………….…..………….166СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………….……..………1684ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияВ настоящее время большой интерес в физике твердого тела проявляется вотношении низкоразмерных спиновых систем [1,2]. Причиной этому являются, содной стороны, практические обстоятельства, такие как открытие ВТСП наоснове слоистых купратов во второй половине 80-х годов XX века [3].

С другойстороны, такие исследования представляют большой фундаментальный интерес,т.к. физические свойства низкоразмерных систем, предсказанные теоретически инаблюдаемые экспериментально, существенно отличаются как от трехмерныхмагнитных структур, так и между различными системами пониженнойразмерности [1,4,5]. Большое разнообразие последних, в свою очередь, делает этуобласть исследований весьма обширной и многосторонней.

Большинствонизкоразмерных магнитных систем построено на ионах меди Cu2+ 3d9, в которых вбольшинстве случаев (октаэдрическое анионное окружение) ключевую рольиграют орбитали dx2-y2 – типа [6]. Хотя, как правило, рассмотрение соединений наоснове меди не нарушает общности, также иногда представляют интересаналогичные системы со слабо заполненными 3d оболочками магнитных ионов, вкоторых при тех же условиях во взаимодействия вовлечены орбитали dxy – типа.В целом, в физике низкоразмерных магнитных систем остается многонеисследованных направлений и есть возможность найти объекты с самымнеожиданным поведением.

При этом для изучения взаимодействия магнитных иструктурных явлений в подобных системах необходимы точные локальныеэкспериментальные методики, такие как ЯМР и ЯКР.Степень разработанностиМагнитные свойства первой из рассматриваемых систем Ba3Cu3In4O12изучались и ранее. В частности, были проведены обширные магнитные и5термодинамические измерения и предложена модель трехмерной решеткиШастри–Сазерленда[7].Такжеизвестнообольшомразнообразииэкспериментальных данных для изоструктурного соединения Ba3Cu3Sc4O12 [8-10].Однако магнитно-резонансные данные ограничиваются лишь скандиевымиспектрами в Ba3Cu3Sc4O12.Подавляющее большинство известных низкоразмерных спиновых системпостроено на основе ионов меди, в то время как изученные ванадиевые системыгораздо менее разнообразны.

Если рассматривать зигзагообразную структуру(цепочку со значимыми по величине взаимодействиями между ближайшимисоседями и через одного), то единственную известную ее реализацию на ионахванадия представляет In2VO5 [11-15]. В связи с этим представляет интерес поиск иподробное исследование других подобных соединений, в частности BaV3O8,предшествовавшиеисследованиякоторогоограничиваютсялишькристаллографической характеризацией [16].Широко известная модель Жанга-Райса [17] хорошо изолированногоспиновогосинглетадлядопированногосостоянияслоистыхкупратовсталкивается с рядом экспериментальных и теоретических противоречий [18-21].Поэтому каждое новое свидетельство в пользу или против нее улучшаетпонимание условий ее применимости и природу конкурирующих со спиновымсинглетом состояний.

Одним из наиболее удобных соединений для такого родаисследований является La2Li0.5Cu0.5O4, в отношении которого уже найденынекоторые свидетельства низколежащих конкурирующих состояний [22], хотя ихприрода не вполне ясна.Цели и задачиЦелью настоящей работы являлось установление особенностей магнитной иэлектронной структуры в основном состоянии низкоразмерных сложных оксидовмеди и ванадия. Для достижения поставленной в работе цели решалисьследующие задачи:6Разработка и создание высокочувствительного ЯМР/ЯКР-спектрометра сцифровогореализацией принципаквадратурного детектированиядляпрецизионных измерений спектров ЯМР и ЯКР, а также релаксационныхизмерений.Исследованиефрустрированныхмагнитныхиквадрупольныхвзаимодействий в соединении Ba3Cu3In4O12 с уникальной медь-кислороднойструктурой paper-chain методами ЯМР и ЯКР и создание модели основногосостояния системы Ba3Cu3In4O12.Выяснение природы магнитного фазового перехода при ТN ≈ 6 К вофрустрированной системе BaV3O8 с зигзагообразными цепочками связанныхспинов S = 1/2 типа Маджумдара-Гоша (Majumdar-Ghosh) посредствоммагнитных и термодинамических измерений, а также ЯМР-спектроскопии ирелаксационных измерений на ядрах 51V.Исследование электронной структуры основного состояния изолированных(CuO4)5-кластероввдвумернойдырочно-допированной6,7La2Li0.5Cu0.5O4 методом ЯМР на ядрахсистемеLi и сопоставление ее с простоймоделью Жанга-Райса.Научная новизнаДлясоединенияпредложенамодельсоструктуроймагнитныхpaper-chainмедныхтримеровBa3Cu3In4O12атакжевпервыеприведеныэкспериментальные доказательства в пользу ее справедливости и реализации вней низкоспинового основного состояния (S = ½).Подробно изучена вторая известная зигзагообразная магнитная система наоснове ионов ванадия V4+ BaV3O8.

Исследования ранее известного представителяданногоклассахарактеризацииIn2VO5сталкиваютсясбольшимисложностямиприосновного состояния и величин обменных взаимодействий всистеме, в связи с чем актуальность изучения таких систем по-прежнему высока.7Приведено новое свидетельство в пользу концепции конкуренции ЖангРайсовскогосинглетасблизлежащимисостояниями,сформированными«допированными» дырками в La2Li0.5Cu0.5O4, что также вносит вклад в пониманиеприроды основного состояния допированных купратов в целом.Теоретическая и практическая значимость работыПолученные в ходе работы результаты носят фундаментальный характер ирасширяют круг известных научному сообществу явлений, свойственныхнизкоразмерным спиновым системам.

Подобное накопление знаний ведет к болееглубокому пониманию природы таких систем.Методология и методы исследованияОсновным методом исследования была спектроскопия ядерного резонанса,а именно ядерный магнитный и квадрупольный резонанс, а также ядерныймагнитный резонанс в нулевом поле. Большая роль при этом была отведенадинамическим измерениям, а именно, определению и анализу скоростей спинрешеточной и спин-спиновой релаксации как функции температуры в широкоминтервале температур 1.6 – 300 К.

Также в качестве вспомогательныхинструментов были привлечены такие методы как измерение магнитнойвосприимчивости и теплоемкости, а также характеризация соединений методомпорошковой рентгенографии.Положения, выносимые на защиту1)Наличие в Ba3Cu3In4O12 в магнитно упорядоченной фазе ионов меди,как в магнитном, так и в немагнитном состоянии, установленное ядернорезонансными измерениями.