Магнитные взаимодействия в сильно коррелированных электронных системах на основе 3d элементов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕСИТЕТим. М. В. ЛОМОНОСОВАФизический ФакультетНа правах рукописиОхотников Кирилл СергеевичМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИЛЬНОКОРРЕЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХНА ОСНОВЕ 3d ЭЛЕМЕНТОВСпециальность 01.04.09 — физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2009Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимостифизического факультета МГУ им. М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,Гиппиус Андрей АндреевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,Смирнов Александр Ивановичдоктор физико-математических наук,Попова Марина НиколаевнаВедущая организация:Институт кристаллографииим. А.В. Шубникова РАНЗащита состоится « 21 » ___мая_______ 2009 года в _17_:_00_ на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском Государственном Университете им.

М.В. Ломоносова по адресу 119992, ГСП-2, Москва, Ленинскиегоры, д.1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан « 20 » __апреля____ 2009 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессорГ.С. ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫМагнитные системы различной размерности с сильной межспиновойкорреляцией привлекают в последнее время значительное внимание.

В результате фрустрированного магнитного взаимодействия в этих системах возможнообразование уникальных несоизмеримых спин-модулированных структур спирального типа, причем механизм формирования основного состояния в такихсоединениях до сих пор не изучен.Несмотря на интенсивные теоретические и экспериментальные исследования проблема спинового упорядочения во фрустрированных квантовых спиновых цепочках остается открытой. Интерес к таким системам обусловлен теоретическими предсказаниями существования сложной фазовой диаграммы иновых магнитных свойств, возникающих из-за интенсивного взаимодействиягеометрической фрустрации и квантовых флуктуаций в низкоразмерных системах.

Большое внимание уделяется исследованию различных купратов, имеющих такие элементы структуры, как квадраты CuO4, связанные по общему углуили общей грани. В последнем случае формируются CuO2 цепочки с углом связи Cu-O-Cu близким к 90°, что приводит к уменьшению ферромагнитного взаимодействия между ближайшими соседями, вызывая, в некоторых случаях, возникновение эффектов фрустрации.Особый интерес представляют цепочки спинов ½ с сильной внутрицепочечной фрустрацией, вызванной различием в знаках между ближайшим (NN)и следующим за ближайшим (NNN) обменными интегралами. Подобные системы экспериментально обнаружены только недавно в купратах ACuO2 с общими гранями с двухвалентными катионами A=[Li+Cu+], [Na+Cu+], [Li+V+5O2-2].Ферромагнитное взаимодействие соседних атомов в таких купратах может бытьсравнимо по порядку величины с антиферромагнитным взаимодействием соседних через одного атомов.1Недавно открытое несоизмеримое (НС) магнитное упорядочение с геликоидальной магнитной структурой при низких температурах в различных купратах с CuO2 цепочками является признаком сильной фрустрации в квантовыхспиновых цепочках (s=½), которые являются важным объектом современногоквантового магнетизма.

Некоторые из этих систем находятся вблизи квантовойкритической точки, разделяющей ферромагнитное (ФМ) и спиральное внутрицепочечное упорядочение. Другим важным свойством данных систем, имеющим фундаментальное научное значение, является магнитоэлектрическое (multiferroic) поведение, обнаруженное в LiVCuO4 и LiCu2O2. Однако, сходныхэффектов не наблюдалось в близких по структуре NaCu2O2 и Li2ZrCuO4. На сегодняшний день нет единого микроскопического объяснения свойств данныхсоединений, учитывающего симметрию и анизотропию обменных взаимодействий, а также релятивистские эффекты и эффекты, связанные с нестехиометричностью. В частности, в низкоразмерных соединениях с Li возможно межцепочечное замещение Li в позиции Cu и наоборот вследствие близости ионныхрадиусов Li+ и Cu2+. До сих пор неразрешенным вопросом остается эволюциянесоизмеримой магнитной структуры в зависимости от величины и направления внешнего магнитного поля.Купраты лития и натрия являются изоструктурными соединениями.

Приэтом ионный радиус натрия (R(Na1+)=0.97 Å) значительно превышает ионныйрадиус меди (R(Cu2+)=0.72 Å), в то время как ионный радиус лития(R(Li1+)=0.68 Å) сопоставим с ним. Вследствие этого происходит замещениемеди в цепочках на литий в купрате лития, а в купрате натрия это замещениеочень мало. Эта особенность проявляется в различии спектров ЯКР исследуемых купратов.Важную роль в формировании основного состояния сложных соединений 3d-элементов играют электронные корреляции и спиновые флуктуации.Коррелированные полупроводники и особенно Кондо-изоляторы (или тяжелофермионные полупроводники) являются подклассом Кондо-решеток, в которых2решетка магнитных 3d- или 4f-ионов взаимодействует с электронами проводимости, образуя узкую гибридизационную щель на уровне Ферми.

Признакиформирования такой щели обычно проявляются в изменении транспортных(сопротивление, термоэдс) и тепловых свойств. Убедительным экспериментальным свидетельством часто являются данные ЯМР и ЯКР, позволяющиеобойти проблемы магнитной анизотропии и гранулярности поликристаллических образцов при определении величины щели. Формирование энергетическойщели в этих узкозонных системах приводит к высокой плотности состоянийвблизи уровня Ферми N(EF), что обуславливает экзотические низкотемпературные свойства, такие как гигантская термоэдс S(T). Рекордное значение|S| ~ 45 мВ/K при 10 К было недавно обнаружено в соединении FeSb2, котороехарактеризуется как сильно коррелированный узкозонный 3d-полупроводник.Решению перечисленных вопросов и посвящена настоящая работа, а всёвышесказанное свидетельствует об актуальности её темы.Целью работы являлось исследование несоизмеримых магнитныхструктур, фазовых переходов, а также обменных магнитных взаимодействий испиновых флуктуаций в сильно коррелированных сложных оксидах и интерметаллидах 3d- элементов методом ядерного магнитного резонанса и ab-initio расчетов.Методы исследования.

Для практической реализации поставленных задач применялись методы спектроскопии ядерного резонанса. Для обработки результатов использовались возможности специализированного программногообеспечения. Расчеты выполнялись методом теории функционала плотности(ТФП) в программном пакете Wien2k.Обоснованность и достоверность экспериментальных результатов определяется использованием современного оборудования и апробированных экспериментальных методик получения и обработки результатов, а также сопоставлением данных эксперимента с результатами работ других авторов,проведенных в условиях меньшего разрешения спектральных характеристик3либо на родственных соединениях.

Обоснованность и достоверность расчетовопределяется использованием широко апробированных методов, а также сопоставлением с экспериментальными данными, как литературными, так и полученными в рамках работы над диссертацией.Научная новизна результатов диссертации состоит в проведение экспериментального и теоретического изучения новых свойств низкоразмерных несоизмеримых магнетиков LiCu2O2 и NaCu2O2, наполненных скуттерудитовMFe4Sb12 (M= La, Ca, Na) и сильно коррелированных систем FeSb2 и RuSb2.методами радиоспектроскопии и ab-initio расчетов.

На основе анализа данныхэксперимента и последующих расчетов получена дополнительная информацияо свойствах этих объектов: качественное различие структуры магнитного упорядочения в LiCu2O2 и NaCu2O2; информация о направлении и величине смещения гостевого атома в наполненных скуттерудитах MFe4Sb12 (M= La, Ca);уточнены параметры зонной структуры полупроводников FeSb2 и RuSb2.Научная и практическая значимость работы.

Полученные результатыносят фундаментальный характер и представляют интерес для понимания природы и развития физики магнитных и сильно коррелированных систем, а такжемогут быть весьма полезны при синтезе новых термоэлектрических материаловс заданными свойствами и их практическом применении.Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16-ти конференциях. По результатам диссертации опубликованыстатьи в 4-x ведущих российских и международных журналах.

Полный списокконференций и публикаций приведен в конце диссертации.Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения исписка цитируемой литературы, содержит 133 страницы текста, включая 50 рисунков, 8 таблиц. В диссертации использовано 97 литературных источников изних 84 иностранных.Рисунки и таблицы для каждой главы пронумерованы отдельно. Заключение дано отдельно по каждой главе.4КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приведена краткая характеристика диссертации: цели исследования, актуальность, обоснованность, научная новизна.

Выписаны основные результаты работы и приведено краткое содержание диссертации по главам.Первая глава посвящена несоизмеримому упорядочению в магнетиках итеории термоэлектрического охлаждения. Описаны основные типы несоизмеримых магнитных структур, а также сложное магнитное упорядочение в редкоземельных металлах. Введены макроскопические параметры термоэлектрическогоохлаждения.Показанасвязьмеждумакроскопическимимикроскопическими параметрами термоэлектриков.

Разобрана концепцияФСЭК («фононное стекло – электронный кристалл»). Описаны структурные итермоэлектрические параметры наполненных скуттерудитов.Во второй главе изложены используемые в данной работе методы исследования. В первом разделе описаны принцип работы и основные узлы экспериментальной установки ядерного резонанса. В приложении дана функциональная схема установки.В следующем разделе данной главы приводится краткое описание метода теории функционала плотности (ТФП, DFT) [1].

Формулируется лемма Хоэнберга-Кона, выводятся уравнения Кона-Шема. Рассматриваются основныеприближениявреализацииданногометода:приближенияобменно-корреляционного функционала (LDA, GGA); базис одночастичных волновыхфункций в виде присоединенных плоских волн (APW) и линеаризованных присоединенных плоских волн (LAPW). Особое внимание уделяется особенностямприменения данного метода в ab-initio расчетах кристаллических структур.Приводится описание программы Wien2k [2]: основные особенности, возможности, составные части.5Третья глава посвящена сравнительному изучению несоизмеримыхмагнетиков LiCu2O2 и NaCu2O2.