Автореферат (Квантовые фазовые переходы и роль беспорядка в спиральных магнетиках и магнитных системах, находящихся в спин-жидкостных фазах)

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ”КУРЧАТОВСКИЙИНСТИТУТ”ФГБУ ”ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ”им. Б. П. КОНСТАНТИНОВАНа правах рукописиУтесов Олег ИгоревичКвантовые фазовые переходы и роль беспорядка в спиральныхмагнетиках и магнитных системах, находящихся в спин-жидкостныхфазах01.04.02 — теоретическая физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукГатчина2015Работа выполнена в НИЦ КИ ФГБУ “Петербургский институт ядерной физики им.Б. П.

Константинова” .Научный руководитель:доктор физико-математических наук,Сыромятников Арсений ВладиславовичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент,Овчинников Александр Сергеевич,Уральский федеральный университет именипервого Президента России Б. Н. Ельцина,профессоркандидат физико-математических наук,Алексеев Павел Сергеевич,Физико-технический институтим. А. Ф. Иоффе РАН,старший научный сотрудникВедущая организация:Санкт-Петербургский академическийуниверситет — научно-образовательный центрнанотехнологий РАНЗащита состоится “”2016 года вчасов на заседании диссертационного совета Д 212.232.24, созданного на базе Санкт-Петербургского государственногоуниверситета, по адресу: Санкт-Петербург, Средний пр. В.

О., д. 41/43, ауд. 304.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета и на сайте: http://spbu.ru/science/disser/Автореферат разослан “”Ученый секретарьдиссертационного советадоктор физико-математических наук,2016 года.Аксенова Елена ВалентиновнаОбщая характеристика работыАктуальность темы.В последние два десятка лет сильно возрос интерес к квантовым фазовым переходам(КФП), вызванный в основном открытием высокотемпературной сверхпроводимости иэкзотических топологических фаз в сильно-коррелированных электронных системах.При этом давно известно, что квантовые системы локализованных спинов представляют собой очень удобные объекты для исследования многих явлений физики конденсированного состояния. Например, точно решаемая модель Китаева сыграла большуюроль в исследовании топологических фаз и фазовых переходов между ними, которыеначали активно изучаться после открытия квантового эффекта Холла.

КФП по магнитному полю в магнетиках, имеющих симметрию U (1), оказываются эквивалентнымибозе-эйнштейновской конденсации (БЭК) в бозе-системах. Причем роль химическогопотенциала в этом случае играет внешнее магнитное поле, величину которого легко контролировать экспериментально. Спиновые системы с дефектами, находящиеся в спинжидкостных фазах, оказались очень удобными для исследования фазы “бозе-стекла”,существование которой в бозе-системах с примесями было предсказано некоторое времяназад. Поэтому современные исследования в области магнетизма, как правило, имеютбольшое значение для развития всей физики конденсированного состояния.В настоящее время как теоретически, так и экспериментально интенсивно исследуются магнетики, находящиеся в спин-жидкостных фазах, в которых нет привычногодальнего магнитного порядка, и статические спиновые корреляторы экспоненциальноубывают с расстоянием.

К таким объектам относятся, например, димерные спиновыежидкости, которые состоят из слабосвязанных между собой пар спинов (димеров) ссильным антиферромагнитным взаимодействием между спинами внутри димера. В отсутствии внешнего магнитного поля синглетное основное состояние таких систем отделено щелью от триплетных возбужденных состояний (триплонов). Внешнее магнитноеполе понижает энергию одной из ветвей спектра триплонов и индуцирует КФП в магнитоупорядоченную фазу при некотором критическом значении поля (см. Рис. 1(a)).Если система обладает U (1) симметрией, то такой фазовый переход может быть описан как бозе-эйнштейновская конденсация триплонов. Примерами наиболее интенсивноисследуемых веществ такого типа являются TlCuCl3 и BaCuSi2 O6 .Спин-димерная система Ba3 Cr2 O8 в последнее время привлекает большое внимание [1–4]. В ней димеры образованы парами соседних ионов Cr5+ и составляют гексагональные плоскости, выстроенные вдоль одной из кристаллических осей.

Это соединениеисследовалось экспериментально различными методами [1–3]. Было обнаружено, что вдиапазоне между магнитными полями Hc1 ≈ 12.5 Tл и Hc2 ≈ 23.6 Tл, возникает скошенная антиферромагнитная структура, а КФП при H = Hc1 принадлежит классууниверсальности БЭК (см. Рис. 1(a)). Несмотря на обилие экспериментальных данных,существует только одна теоретическая работа [4], в которой приведено лишь полуфеноменологическое исследование КФП.

Таким образом, развитие теории КФП в этой иподобной ей системах является актуальной задачей.Примером других магнитных систем, в которых можно изучать БЭК элементарныхвозбуждений, являются системы со спином 1 и большой одноионной анизотропией типа“легкая плоскость”. Все спины в таких системах при малых магнитных полях находятсяпреимущественно в состоянии с S z = 0. При увеличении магнитного поля две ветвиэлементарных возбуждений расщепляются, щель в спектре одной из ветвей уменьшается, и при достижении полем критического значения происходит фазовый переход вмагнитоупорядоченную фазу.

Таким образом, фазовая диаграмма такой системы наплоскости магнитное поле-температура имеет такой же вид, как и у спин-димерныхмагнетиков (см. Рис. 1(a)).В последнее время стало понятно, что магнетики с целым спином и большой одноионной анизотропией типа “легкая плоскость” и димерные системы со спином 1/2являются также удобными объектами для исследования другой актуальной, но все еще3T(a)чистая системаT(b) система с беспорядкомBGH C1H C2Hbg1 HC1HBGHC2 Hbg2HРис. 1: Фазовые диаграммы для двух типов (квази-)трехмерных магнитных систем вмагнитном поле H: димеризованного магнетика со спином 1/2 и магнетика со спином 1 ибольшой одноионной анизотропией типа “легкая плоскость”. (a) Системы без дефектов.(b) Системы, в которых изменены константы обменных взаимодействий на небольшомколичестве связей.

Фазы “бозе-стекла” обозначены как BG.не полностью решенной, проблемы физики конденсированных сред: влияние беспорядка на КФП в бозонных системах. В случае, когда беспорядок возникает в константахобменных взаимодействий или константе одноионной анизотропии, такие системы становятся эквивалентны неидеальному бозе-газу в непериодическом потенциале. В последнее время проводятся экспериментальные исследования ряда веществ с беспорядком обоих вышеописанных типов [5].Как известно, беспорядок, даже в небольшом количестве, может значительно изменить некоторые свойства конденсированных сред.

Наиболее яркими примерами являются андерсоновская локализация и эффект Кондо. Для бозонных систем в случайномпотенциале было предсказано появление нового состояния, фазы “бозе-стекла”, между фазой моттовского изолятора (со щелью в спектре элементарных возбуждений) ибесщелевой сверхтекучей фазой [6]. Позднее была доказана теорема о том, что такаяпромежуточная фаза всегда должна возникать в бозе-системах с беспорядком [7]. Переход из фазы моттовского изолятора в фазу “бозе-стекла” происходит по механизмуГриффитса.

Однако, при некоторых условиях на распределение беспорядка и взаимодействие бозонов фаза моттовского изолятора может отсутствовать [6].Фазовая диаграмма упомянутых выше спиновых систем с беспорядком приведенана Рис. 1(b). Парамагнитные фазы при H < Hc1 и H > Hc2 соответствуют фазе моттовского изолятора в бозе-системе с беспорядком, а магнитоупорядоченная фаза — сверхтекучей фазе.Следует отметить, что фазовые переходы в разупорядоченных бозонных системахтеоретически обычно исследуются в случае непрерывного распределения примесногопотенциала на некотором интервале или для его гауссового распределения.

С другойстороны, для описания магнетиков с примесями больше подходит модель бозе-системыс бинарной функцией распределения беспорядка (распределение, в котором случайная величина может принимать только два значения с произвольными весами). Такимобразом, изучение влияния беспорядка такого типа на свойства квантовых фазовыхпереходов в бозе-системах является актуальной задачей.В недавних экспериментальных работах измерялся спектр элементарных возбуждений димеризованных магнетиков с примесями IPA-Cu(Clx Br1−x )3 [8] и(C4 H12 N2 )Cu2 (Cl1−x Brx )6 [9]. Однако теория, с которой можно было бы сравнить полученные спектры отсутствовала. Поэтому, в частности, все возбуждения в экспериментальных работах рассматривались, как распространяющиеся (несмотря даже на явно нелоренцевский вид мнимой части спинового коррелятора вблизи краев зоны элементарных возбуждений, полученный на основе экспериментальных данных).

Поэтомутеоретическое исследование спектра элементарных возбуждений в таких системах является важной актуальной задачей.Магнетики с неколлинеарной магнитной структурой, и, в частности, спиральныемагнетики, вызывают сейчас большой интерес по нескольким причинам. Во-первых, он4вызван недавним открытием сегнетомагнетиков (мультиферроиков), в которых электрическая поляризация образца возникает только в фазах с магнитной спиралью.

Такие материалы имеют перспективу практического применения благодаря, например,возможности магнитным полем менять электрическую поляризацию. Во-вторых, в последнее время в спиральных магнетиках со взаимодействием Дзялошинского-Мория(ВДМ) были открыты необычные вихревые магнитные структуры, так называемые,“скирмионные решетки” и киральные солитонные решетки. Эти материалы интересныеще и с практической точки зрения благодаря их возможному применению в спинтронике.В недавней работе [10] экспериментально исследовались легированные спиральныемагнетики со структурой B20.