Автореферат (Квантовые фазовые переходы и роль беспорядка в спиральных магнетиках и магнитных системах, находящихся в спин-жидкостных фазах), страница 2

В этой работе показано, что модуль спирального вектора q в Mn1−x Fex Ge зависит от концентрации легирующей примеси x, и магнитнаякиральность меняет знак (а q проходит через ноль) при x ≈ 0.75. Очевидно, что такоеповедение должно быть следствием того факта, что обменное взаимодействие и ВДМизменяются вокруг легирующих ионов, которые могут рассматриваться как дефектыпри x ≪ 1 или x ≈ 1. В то же время, детальное теоретическое описание таких системотсутствует, а результаты экспериментов описываются феноменологически, путем изменения параметров модели, используемой для соответствующих систем без примесей.Цель и задачи работыЦелью диссертационной работы являлось теоретическое исследование квантовыхфазовых переходов (КФП) и влияния беспорядка на свойства спиральных магнетикови спиновых систем, находящихся в спин-жидкостных фазах.

В частности, предполагалось сделать следующее.1. Построить теорию КФП, индуцированных магнитным полем, в спин-димерных веществах с гексагональной структурой. Применить эту теорию для описания КФПв Ba3 Cr2 O8 , активно исследуемом экспериментально веществе такого типа.2. Исследовать влияние беспорядка в константах обменного взаимодействия на свойства элементарных возбуждений в одно-, двух- и трехмерных спиновых системахсо щелевым спектром.3. Изучить переход из фазы моттовского изолятора в фазу “бозе-стекла” в одномерных системах со слабовзаимодействующими бозонными элементарными возбуждениями и бинарным беспорядком.4.

Исследовать влияние беспорядка на свойства спиральных магнетиков со взаимодействием Дзялошинского-Мория (ВДМ). В том числе вычислить перенормировку спектра магнонов в результате рассеяния на дефектах, установить каким образом дефекты искажают магнитный порядок, и как это искажение проявляетсяв сечении упругого рассеяния нейтронов. Проанализировать возможность изменения знака киральности спиральной структуры при наличии дефектов.Основные положения диссертации, выносимые на защиту1. Предложена новая модель обменных взаимодействий в трехмерных спиндимерных системах с гексагональной структурой. Во втором порядке теории возмущений по величине слабого междимерного взаимодействия получены выражения для спектра элементарных возбуждений (триплонов).

Дано теоретическоеописание КФП по магнитному полю в этой модели. При помощи построеннойтеории получено первое непротиворечивое описание всех имеющихся на сегодняшний день экспериментальных данных по изучению низкотемпературных свойствBa3 Cr2 O8 .52. В первом порядке по концентрации дефектов вычислены спектр элементарныхвозбуждений и плотность состояний в фазах со щелью спиновых систем с разупорядоченными обменами.

Показано, что в двумерных и трехмерных системах рассеяние на дефектах приводит к конечному затуханию всех распространяющихсяэлементарных возбуждений кроме тех, которые лежат вблизи краев зоны. Продемонстрировано, что состояния вблизи краев зоны элементарных возбужденийлокализованы. Обнаружено, что рассеяние на дефектах в таких системах можетприводить к намного более сильному затуханию распространяющихся элементарных возбуждений, чем в бесщелевых магнитоупорядоченных магнетиках с дефектами. Для одномерных систем получено, что беспорядок приводит к локализациивсех возбужденных состояний, хотя возбуждения, лежащие вдали от краев зоны,выглядят как обычные волновые пакеты.3.

Продемонстрировано наличие перехода из фазы моттовского изолятора в фазу“бозе-стекла” при произвольной силе примесей в одномерных бозонных системахс бинарным беспорядком. Одночастичная плотность состояний вычислена тремя методами: самосогласованным методом Т-матрицы, численно и аналитически(для бесконечной силы дефектов). Получено хорошее согласие между всеми тремя методами. Показано существенное отличие поведения системы при наличиибинарного беспорядка от обычно рассматриваемого случая, когда сила примесейможет принимать любое значение внутри некоторого интервала.4.

Изучены модели слоистых и кубических (со структурой B20) спиральных магнетиков с ВДМ и с беспорядком в константах обменного взаимодействия и векторахВДМ. Показано, что в обеих моделях искажение спиральной магнитной структуры от одного дефекта описывается уравнением Пуассона для электрическогодиполя, и, следовательно, возмущение магнитного порядка, является дальнодействующим: оно убывает с расстоянием r как 1/r2 . Получены поправки к векторуспирали для конечных концентраций дефектов. Показано, что при достаточнойсиле дефектов даже малой их концентрации достаточно для изменения знака киральности спиральной структуры. Обнаружено, что дефекты приводят к появлению диффузного упругого рассеяния нейтронов со степенными сингулярностямив местах расположения магнитных брэгговских пиков.

Вычислены поправки кэнергии магнонов и их затухание, вызванные рассеянием на дефектах.Научная новизна и практическая значимость.1. Предложена новая модель обменных взаимодействий в спин-димерных системахс гексагональной структурой. На ее основе построена микроскопическая теориядля описания низкотемпературных свойств и КФП в таких системах, лишеннаянедостатков существующей полуфеноменологической теории.

Предложенная теория успешно применена для описания всего набора экспериментальных данных,имеющихся на сегодняшний день для Ba3 Cr2 O8 , и может быть использована вдальнейшем для других соединений такого типа.2. Впервые продемонстрировано, что в спиновых системах с разупорядоченными обменами возбужденные состояния, лежащие вблизи краев зоны, становятся локализованными. Эти результаты должны использоваться при интерпретации соответствующих экспериментальных данных, при анализе которых до этого все возбуждения рассматривались, как распространяющиеся.3.

Впервые показано, что в одномерных бозе-системах с бинарным беспорядком ислабовзаимодействующими возбуждениями всегда существует переход из фазы“бозе-стекла” в фазу моттовского изолятора.64. Впервые теоретически рассмотрены спиральные магнетики с ВДМ и с беспорядком в константах обменного взаимодействия и векторах ВДМ. Впервые обнаружен дальнодействующий характер возмущения спирального магнитного порядкаодиночными дефектами такого рода. Показано, что это возмущение описываетсяуравнением Пуассона для электрического диполя. Для систем с конечной концентрацией дефектов впервые вычислены поправки к вектору спирали, сечениеупругого рассеяния нейтронов и спектр магнонов.

Все полученные результатымогут использоваться для анализа соответствующих экспериментальных данных.Апробация работы.Результатыдиссертационнойработыдокладывалисьиобсуждалисьна международных конференциях:Joint European Magnetic Symposia “JEMS-2013”, г. Родос, Греция, 2013; 1stInternational Conference and School “Saint-Petersburg OPEN 2014”, г. Санкт-Петербург,Россия, 2014; Moscow International Symposium on Magnetism “MISM-2014”, г. Москва,Россия, 2014; III International Workshop “Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and ExoticSpin Structures”, г. Псков, Россия, 2015; International Symposium “Spin Waves 2015”,г.

Санкт-Петербург, Россия, 2015; 20th International Conference on Magnetism “ICM 2015”,г. Барселона, Испания, 2015;и на российских конференциях и школах:47-ая Школа ПИЯФ по Физике Конденсированного Состояния, Санкт-Петербург,г. Зеленогорск, Россия, 2013; 48-ая Школа ПИЯФ по Физике Конденсированного Состояния, Санкт-Петербург, г. Зеленогорск, Россия, 2014; конференция “Совещание поиспользованию рассеяния нейтронов и синхротронного излучения в конденсированныхсредах”, г. Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Россия, 2014; I Конференция молодых ученых и специалистов ПИЯФ (КМУС-2014), Ленинградская область, г. Гатчина,Россия, 2014; 49-ая Школа ПИЯФ по Физике Конденсированного Состояния, СанктПетербург, г.

Зеленогорск, Россия, 2015; II Конференция молодых ученых и специалистов ПИЯФ (КМУС-2015).ПубликацииСодержание диссертации полностью отражено в 3 статьях (без учета материаловконференций), опубликованных в рецензируемых научных изданиях, рекомендованныхВАК РФ и входящих в базы данных Web of Science и Scopus. Список публикаций приведен в конце автореферата.Личный вклад автораДиссертация является самостоятельной законченной научно-исследовательской работой.

Все представленные к защите аналитические результаты были получены диссертантом лично. Численные расчеты проводились н.с. Отделения теоретической физикиПИЯФ А.В. Сизановым для проверки теоретических результатов и предсказаний диссертанта.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, 4 глав, двух приложений и списка литературы.Общий объем диссертации составляет 148 страниц машинописного текста. Библиография содержит 89 наименований. Рисунки нумеруются по главам.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы, перечислены основные результаты, иприводится краткое содержание работы.В первой главе исследуются КФП из парамагнитных фаз в магнитоупорядоченную в спин-димерных веществах с гексагональной структурой.

Фазовая диаграмма таких систем представлена на Рис. 1(a). Ba3 Cr2 O8 является одним из наиболее широко7исследуемых в последнее время соединений такого рода. Для устранения проблем с теоретическим описанием КФП в веществах данного типа предложена модель обменныхвзаимодействий, изображенная на Рис. 2, которая основана на анализе кристаллическойструктуры. КФП при H = Hc1 (см. Рис. 1(a)) изучается при помощи бозонного аналогасоответствующего спинового гамильтониана.

Он был получен стандартным способомпутем введения трех типов бозе-операторов на каждом димере [11], которые описывают триплетные возбуждения (триплоны) с проекцией полного спина равной −1, 0 и 1.Все вычисления проводились по теории возмущений в рамках стандартной диаграммной техники, используя малость отношений констант междимерных и внутридимерногообменных взаимодействий. Таким методом были вычислены спектр триплонов в нулевом магнитном поле и эффективное взаимодействие триплонов в критической точке.Фазовый переход при H = Hc1 был описан в терминах бозе-эйнштейновской конденсации триплонов.

В частности, было получено следующее выражение для плотностиконденсата триплонов (которая связана с параметром порядка в этом КФП):()(k0 )2h − ∆ − 2 Γ + 3J24Jnρ=,(1)Γ + J2 (k0 )2 /Jгде n — число триплонов при данной температуре, пропорциональное T 3/2 при T → 0,h = gµB H — величина магнитного поля в энергетических единицах, ∆ — значение щелив нулевом магнитном поле, Γ — эффективное взаимодействие триплонов в критическойточке, J — константа внутридимерного обменного взаимодействия и J2 (k0 ) — фурьеобраз междимерного обменного взаимодействия в точке минимума спектра. Из этоговыражения получаются формулы для зависимости критического магнитного поля Hc1от температуры и зависимости поперечной намагниченности M⊥ от магнитного поля.Соответствующие выражения:()3J2 (k0 )2Hc1 (T ) = ∆ + 2 Γ +n,(2)4J()2ρJ2 (k0 )2M⊥ =1−.(3)22JПостроенная теория была применена к Ba3 Cr2 O8 [1–4].