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

Было обнаружено, что в диапазоне6между магнитными полями Hc1 ≈ 12.5 T и Hc2 ≈ 23.6 T, возникает скошенная антиферромагнитная структура, а КФП при H = Hc1 принадлежитклассу универсальности БЭК (см. Рис. 1(a)). Несмотря на обилие экспериментальных данных, существует только одна теоретическая работа [10], вкоторой приведено лишь полуфеноменологическое исследование КФП. Таким образом, развитие теории КФП в этой и подобной ей системах являетсяактуальной задачей.Примером других магнитных систем, в которых можно изучать БЭКэлементарных возбуждений являются системы со спином 1 и большой одноионной анизотропией типа “легкая плоскость”.

Все спины в таких системах при малых магнитных полях находятся преимущественно в состояниис S z = 0. При увеличении магнитного поля две ветви элементарных возбуждений расщепляются, щель в спектре одной из ветвей уменьшается, ипри достижении полем критического значения происходит фазовый переход в магнитоупорядоченную фазу [12]. Таким образом, фазовая диаграмма такой системы на плоскости магнитное поле-температура имеет такойже вид, как и у спин-димерных магнетиков (см. Рис.

1(a)).В последнее время стало понятно, что магнетики с целым спином ибольшой одноионной анизотропией типа “легкая плоскость” и димерныесистемы со спином 1/2 являются также удобными объектами для исследования другой актуальной, но все еще не полностью решенной, проблемыфизики конденсированных сред: влияние беспорядка на КФП в бозонныхсистемах. В случае, когда беспорядок возникает в константах обменныхвзаимодействий или константе одноионной анизотропии, такие системыстановятся эквивалентны неидеальному бозе-газу в непериодическом потенциале. На практике такие системы реализуются путем создания беспорядка на немагнитных узлах, которые участвуют в косвенном обменомвзаимодействии между магнитными атомами.

В последнее время проводятся экспериментальные исследования ряда веществ с беспорядком обоихвышеописанных типов [13].Как известно, беспорядок, даже в небольшом количестве, может значительно изменить некоторые свойства конденсированных сред. Наиболееяркими примерами являются андерсоновская локализация [14] и эффект7Кондо [15].

Для бозонных систем в случайном потенциале было предсказано появление нового состояния, фазы “бозе-стекла”, между фазой моттовского изолятора (со щелью в спектре элементарных возбуждений) и бесщелевой сверхтекучей фазой [16]. Позднее была доказана теорема о том,что такая промежуточная фаза всегда должна возникать в бозе-системахс беспорядком [17]. Переход из фазы моттовского изолятора в фазу “бозестекла” происходит по механизму Гриффитса [18, 19].

Однако, при некоторых условиях на распределение беспорядка и взаимодействие бозонов фазамоттовского изолятора может отсутствовать [16].Фазовая диаграмма упомянутых выше спиновых систем с беспорядкомприведена на Рис. 1(b). Парамагнитные фазы при H < Hc1 и H > Hc2соответствуют фазе моттовского изолятора в бозе-системе с беспорядком,а магнитоупорядоченная фаза — сверхтекучей фазе.Следует отметить, что фазовые переходы в разупорядоченных бозонных системах теоретически обычно исследуются в случае непрерывногораспределения примесного потенциала на некотором интервале или дляего гауссового распределения.

С другой стороны, для описания магнетиковс примесями больше подходит модель бозе-системы с бинарной функциейраспределения беспорядка (распределение, в котором случайная величинаможет принимать только два значения с произвольными весами). Такимобразом, изучение влияния беспорядка такого типа на свойства квантовыхфазовых переходов в бозе-системах является актуальной задачей.В недавних экспериментальных работах измерялся спектр элементарных возбуждений димеризованных магнетиков с примесями IPACu(Clx Br1−x )3 [20] 1 и (C4 H12 N2 )Cu2 (Cl1−x Brx )6 [21]. 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 нелоренцевскийвид мнимой части спинового коррелятора вблизи краев зоны элементарных возбуждений, полученной из экспериментальных данных).

Поэтомутеоретическое исследование спектра элементарных возбуждений в такихсистемах является важной актуальной задачей.1в данном веществе IPA означает изопропил аммоний8Магнетики с неколлинеарной магнитной структурой, и, в частности,спиральные магнетики, вызывают сейчас большой интерес по несколькимпричинам. Во-первых, он вызван недавним открытием сегнетомагнетиков(мультиферроиков), в которых электрическая поляризация образца возникает только в фазах с магнитной спиралью.

Большой интерес к такимсистемам хорошо понятен с чисто научной точки зрения. В тоже времяэтот интерес значительно усиливает перспектива практического применения: например, возможность магнитным полем менять электрическую поляризацию. Во-вторых, в последнее время в спиральных магнетиках совзаимодействием Дзялошинского-Мория (ВДМ) были открыты необычныевихревые магнитные структуры, так называемые, “скирмионные решетки” [22] и киральные солитонные решетки [23]. Эти материалы интересныеще и с практической точки зрения благодаря их возможному применениюв спинтронике.

В-третьих, в неколлинеарных магнетиках в последнее времябыло обнаружено явление сильного затухания коротковолновых магноновпри T = 0, которое является аналогом хорошо известной неустойчивостикоротковолновых элементарных возбуждений в неидеальном бозе-газе.В недавней работе [24] экспериментально исследовались легированныеспиральные магнетики со структурой B20. В этой работе показано, чтомодуль спирального вектора q в Mn1−x Fex Ge зависит от концентрации легирующей примеси x, и магнитная киральность меняет знак (а q проходитчерез ноль) при x ≈ 0.75.

Очевидно, что такое поведение должно бытьследствием того факта, что обменное взаимодействие и ВДМ изменяютсявокруг легирующих ионов, которые могут рассматриваться как дефектыпри x ≪ 1 или x ≈ 1. В то же время, детальное теоретическое описаниетаких систем отсутствует, а результаты экспериментов описываются феноменологически, путем изменения параметров модели, используемой длясоответствующих систем без примесей.Цель и задачи работыЦелью диссертационной работы являлось теоретическое исследование квантовых фазовых переходов (КФП) и влияния беспорядка на9свойства спиральных магнетиков и спиновых систем, находящихся вспин-жидкостных фазах.

В частности, предполагалось сделать следующее.1) Построить теорию КФП, индуцированных магнитным полем, в спиндимерных веществах с гексагональной структурой. Применить этутеорию для описания КФП в 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 системах со щелевым спектром.3) Изучить переход из фазы моттовского изолятора в фазу “бозе-стекла”в одномерных системах со слабовзаимодействующими бозоннымиэлементарными возбуждениями и бинарным беспорядком.4) Исследовать влияние беспорядка на свойства спиральных магнетиковсо взаимодействием Дзялошинского-Мория (ВДМ).

В том числе вычислить перенормировку спектра магнонов в результате рассеяния надефектах, установить каким образом дефекты искажают магнитныйпорядок, и как это искажение проявляется в сечении упругого рассеяния нейтронов. Проанализировать возможность изменения знакакиральности спиральной структуры при наличии дефектов.Основные положения, выносимые на защиту1) Предложена новая модель обменных взаимодействий в трехмерныхспин-димерных системах с гексагональной структурой. Во втором порядке теории возмущений по величине слабого междимерного взаимодействия получены выражения для спектра элементарных возбуждений (триплонов). Дано теоретическое описание КФП по магнитному полю в этой модели.

При помощи построенной теории полученопервое непротиворечивое описание всех имеющихся на сегодняшний10день экспериментальных данных по изучению низкотемпературныхсвойств Ba3 Cr2 O8 .2) В первом порядке по концентрации дефектов вычислены спектр элементарных возбуждений и плотность состояний в фазах со щельюспиновых систем с разупорядоченными обменами. Показано, что вдвумерных и трехмерных системах рассеяние на дефектах приводитк конечному затуханию всех распространяющихся элементарных возбуждений кроме тех, которые лежат вблизи краев зоны. Продемонстрировано, что состояния вблизи краев зоны элементарных возбуждений локализованы. Обнаружено, что рассеяние на дефектах в таких системах может приводить к намного более сильному затуханиюраспространяющихся элементарных возбуждений, чем в бесщелевыхмагнитоупорядоченных магнетиках с дефектами.

Для одномерныхсистем получено, что беспорядок приводит к локализации всех возбужденных состояний, хотя возбуждения, лежащие вдали от краевзоны, выглядят как обычные волновые пакеты.3) Продемонстрировано наличие перехода из фазы моттовского изолятора в фазу “бозе-стекла” при произвольной силе примесей в одномерных бозонных системах с бинарным беспорядком. Одночастичнаяплотность состояний вычислена тремя методами: самосогласованнымметодом Т-матрицы, численно и аналитически (для бесконечной силыдефектов). Получено хорошее согласие между всеми тремя методами.Показано существенное отличие поведения системы при наличии бинарного беспорядка от обычно рассматриваемого случая, когда силапримесей может 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 векторах ВДМ.