Низкоразмерный магнетизм в нитратах переходных металлов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиШутов Виктор ВикторовичНИЗКОРАЗМЕРНЫЙ МАГНЕТИЗМ В НИТРАТАХПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВСпециальность 01.04.09 – физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2011Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимостифизического факультета МГУ имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорВасильев Александр НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор химических наук, профессорКазин Павел ЕвгеньевичХимический факультет МГУкандидат физико-математических наук,доцент,Попова Елена АрнольдовнаМосковский институт электроники и математикиВедущая организация:Институт теоретической и прикладнойэлектродинамики РАНЗащита состоится «20» октября 2011 года в 17:00 на заседании диссертационного советаД.501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В.

Ломоносова поадресу 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, конференц-зал Центраколлективного пользования физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ имениМ.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» сентября 2011 года.Ученый секретарьДиссертационного совета Д.501.001.70Доктор физико-математических наук, профессорГ.С.

ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.Одним из основополагающих направлений исследований в физике низкихтемпературявляетсяконденсированныхизучениесредах.Кквантовыхданномукооперативныхклассуявленийявленийвотносятся:сверхпроводимость, сверхтекучесть, магнетизм, волны зарядовой плотности,Бозе-Эйнштейновская конденсация магнонов, которые происходят благодарявзаимно согласованному поведению макроскопически большого числа частиц.Изучая особенности согласованного взаимодействия такого количества частиц,можно обнаружить связь макроскопических явлений с микроскопическимстроением вещества. Данная работа посвящена изучению явлений, связанных спроявлением низкоразмерного магнетизма в новых нитратах переходныхметаллов при низких температурах, в том числе определению квантовыхосновных состояний и исследованию их физических свойств.Физика низкоразмерного магнетизма начала развиваться в 60-х годахпрошлого века с работ, посвященных исследованию тригидрата нитрата медиCu(NO3)2·2,5H2O, который принадлежит исследуемому семейству нитратовпереходных металлов.

В данном соединении, ионы меди Cu2+ имеют спин S =1/2, для которого наиболее ярко выражены квантовые эффекты. ВажнымфактомдляописанияCu(NO3)2·2,5H2Oсвойствявиласьмалостьмагнитокристаллической анизотропии ионов меди, которая существенноупрощает сопоставление теории и эксперимента. Поэтому, на примеретригидрата нитрата меди было достигнуто хорошее соответствие междуэкспериментальными и теоретическими представлениями.На сегодняшний день низкоразмерные магнетики являются объектоминтенсивного экспериментального и теоретического изучения [1].

Это связано стем, что они демонстрируют весьма разнообразные квантовые основныесостояния, которые в первую очередь обязаны пониженной размерностимагнитной подсистемы, и конкурирующим обменным взаимодействиям. При1этом могут достигаться как упорядоченные магнитные состояния при низких исверхнизких температурах, так и неупорядоченные состояния.

Геометрическаяфрустрация обменных взаимодействий является одним из эффектов, которыйможет привести к неклассическим основным состояниям. Неклассическиеосновные состояния могут даже существовать в чистом одномерном квантовомантиферромагнетике, который не упорядочивается при конечных температурах.Низкоэнергетические возбуждения такой системы являются спинонами,которые описываются дробными квантовыми числами [2]. Понимание тогопоявляются ли такие состояния в низкоразмерных магнетиках более высокойразмерности и реализуется ли состояние с резонансной валентной связью RVB(resonating valence bond) является фундаментальным вопросом. Концепция RVBсостояния важна не только в физике фрустрированных взаимодействий, нотакжевконтекстевысокотемпературнойсверхпроводимостислоистыхкупратов.Физика нитратов переходных металлов очень разнообразна.

В этихсоединенияхреализовановсемногообразиефизикинизкоразмерногомагнетизма. Так, в “тригидрате” нитрата меди Cu(NO3)2·2,5H2O есть ближнийпорядок, обусловленный наличием альтернированных цепочек. В магнитныхполях может реализоваться дальний магнитный порядок. В гидратированныхнитратах никеля Ni(NO3)2·2H2O, Ni(NO3)2·4H2O и Ni(NO3)2·6H2O обнаруженырасщепление в нулевом поле, анизотропия магнитной восприимчивости,ближнийидальниймагнитныйпорядоквзаимодействий,атакжеметамагнетизм.Работа по определению квантовых основных состояний в веществезаключается в определении механизмов, посредством которых спиновая,зарядовая,орбитальнаяиупругаяподсистемывеществадостигаютупорядоченного или разупорядоченного состояния при низких температурах.В настоящей работе в качестве объектов исследования были выбраныновыенеорганическиемоногидратнитрата–соединениямединитратыCu(NO3)2⋅H2O,2переходныхнитратокупратметаллов:нитрозония(NO)Cu(NO3)3, нитратоникелат рубидия Rb3Ni2(NO3)7, безводный нитрат никеляNi(NO3)2, синтезированные на химическом факультете МГУ.

Ни квантовыеосновные состояния, ни даже основные физические параметры этих объектовранее установлены не были. Вместе с тем, топология магнитной подсистемы внитратах переходных металлов позволяет предположить существование в нихкакупорядоченных,такинеупорядоченныхмагнитныхструктур.Взаимодействие в данных соединениях между ионами переходных металловрассматриваются с единых позиций: магнитные ионы взаимодействуют междусобой через нитратные NO3 группы.Цель работы.Целью работы являлось установление квантовых основных состояний ибазовых магнитных характеристик новых низкоразмерных магнетиков на базенитратов переходных металлов.Методы исследования.При выполнении данной работы использовался широкий спектр методикдля исследования конденсированных сред. Для синтеза нитратов переходныхметаллов использовался метод кристаллизации из азотнокислых растворов надосушителем.

Характеризация полученных образцов проводилась методомрентгенофазового анализа. Измерения магнитных свойств выполнялись вшироком диапазоне температур и магнитных полей на СКВИД магнитометре ина вибрационном магнитометре. Тепловые измерения исследовались спомощьюустановкиквазиадиабатическогодляизмерениякалориметра.физическихРезонансныесвойствсвойства(PPMS)иизучалисьспомощью метода ЭПР.Научная новизна работы.Впервые исследованы магнитные, тепловые и резонансные свойствабольшого семейства новых неорганических соединений на базе нитратов3переходных металлов: Cu(NO3)2·H2O, (NO)Cu(NO3)3, Rb3Ni2(NO3)7, Ni(NO3)2.Для исследованных веществ установлены квантовые основные состояния,определены магнитные фазовые диаграммы, а также основные магнитныехарактеристики.

Найдено первое вещество – нитратокупрат нитрозония(NO)Cu(NO3)3–отвечающееквантовомеханической“флагамоделиконфедераций”.Научная и практическая значимость работы.Полученные результаты носят фундаментальный характер и могутслужитьдляболееглубокогопониманияявлений,происходящихвнизкоразмерных магнетиках при низких и сверхнизких температурах.На защиту выносятся:• Результаты экспериментальных исследований тепловых, магнитных ирезонансных свойств Cu(NO3)2·H2O, сопоставление физических свойств скристаллическойструктуройCu(NO3)2·H2Oиихинтерпретация,магнитная фазовая B – T диаграмма, оценки на термодинамические имагнитные величины. Основное состояние – антиферромагнетик.• Результаты(NO)Cu(NO3)3,анализаособенностейрезультатыкристаллическойисследованийтепловых,структурымагнитныхирезонансных свойств (NO)Cu(NO3)3, связь наблюдаемых физическихсвойств с кристаллической структурой, оценки на параметр главногообменного взаимодействия и термодинамических и магнитных величин.Основное состояние – спиновая жидкость.• Результаты тепловых и магнитных исследований Rb3Ni2(NO3)7, а такжеанализаиобработкитермодинамическихполученныхвыражений.зависимостейСопоставлениеспомощьюэкспериментальныхданных с кристаллической структурой и их интерпретация.

Оценки навеличину обменного взаимодействия в димере и критических полей.Основное состояние – спиновая жидкость.4• Результаты тепловых и магнитных исследований Ni(NO3)2, особенностикристаллической структуры. Основное состояние – ферромагнетик.Структура и объем работы.Диссертация состоит из оглавления; введения; литературного обзора, вкотором рассмотрены особенности низкоразмерных систем; методическойглавы, описывающей способы получения и исследования низкоразмерныхнитратовпереходныхописывающих(NO)Cu(NO3)3,использованнойметаллов;исследованныеRb3Ni2(NO3)7,литературы,четырехфизическиеNi(NO3)2;спискаэкспериментальныхсвойствазаключения;публикацийCu(NO3)2·H2O,выводов;иглав,спискаблагодарностей.Диссертация содержит 174 страницы текста, включая 93 рисунка, 1 таблицу и184 ссылки на литературные источники.Публикации.По теме диссертационной работы опубликованы статьи в 3-ех ведущихроссийских и международных журналах: в журнале “Письма в журналэкспериментальной и теоретической физики”, в “Journal of low temperaturephysics” и в “Physical Review B”, а также 12 трудов конференций.

Полныйсписок приведен в конце автореферата.Апробация работы.Основные результаты работы были представлены на шестом симпозиумеорбитальной физики и новых явлений в оксидах переходных металлов(Штутгарт, Германия, 10-11 октября 2007), на Московском международномсимпозиуме по магнетизму (Москва, 20-25 июля 2008), на Международнойконференции по квантовому транспорту и флуктуациям (Черногория, 1-5сентября 2008), на XVI-ой международной конференции студентов, аспирантови молодых ученых “Ломоносов” (Москва, 13-18 апреля 2009), на Совместнойевропейско-японской конференции: фрустрации в физике конденсированного5состояния вещества (Лион, 12-15 мая 2009), на XXXV-ом совещании по физикенизких температур, Черноголовка, 29 сентября – 2 октября 2009, наЕвропейской школе магнетизма (Тимишоара, Румыния, 1 – 10 сентября 2009),на 7-ой Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 10 – 12 ноября2009), на XVII-ой международной конференции студентов, аспирантов имолодых ученых “Ломоносов” (Москва, 12 – 15 апреля 2010), на 7-оймеждународной конференции ICFD (Сендай, Япония, 1 – 3 ноября 2010).КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении дана краткая характеристика диссертационной работы:обоснована актуальность работы, сформулированы цели исследований, научнаяновизна, научная и практическая значимость работы, приведена структураработы и сведения о публикациях на тему диссертации.Первая глава представляет собой обзорпосвященныйтермодинамическимсвойствамлитературных данных,низкоразмерныхсистем.Вводятся основные понятия для описания низкоразмерных магнетиков.Указываются некоторые особенности реальных соединений и факторы,влияющие на вид достигаемого основного состояния.