Диссертация (Квантовые фазовые переходы и роль беспорядка в спиральных магнетиках и магнитных системах, находящихся в спин-жидкостных фазах), страница 3

Показано, что в обеих моделяхискажение спиральной магнитной структуры от одного дефекта описывается уравнением Пуассона для электрического диполя. Таким11образом, возмущение магнитного порядка, вносимое примесями, является дальнодействующим: оно убывает с расстоянием r как 1/r2 .Получены поправки к вектору спирали для конечных концентрацийдефектов. Показано, что при достаточной силе дефектов даже малой их концентрации достаточно для изменения знака киральностиспиральной структуры. Обнаружено, что дефекты приводят к появлению диффузного упругого рассеяния нейтронов со степенными сингулярностями в местах расположения магнитных брэгговских пиков.Вычислены поправки к энергии магнонов и их затухание, вызванныерассеянием на дефектах.Научная новизна работы и практическая ценность1) Предложена новая модель обменных взаимодействий в спиндимерных системах с гексагональной структурой.

На ее основе построена микроскопическая теория для описания низкотемпературныхсвойств и КФП в таких системах, лишенная недостатков существующей полуфеноменологической теории. Предложенная теория успешноприменена для описания всего набора экспериментальных данных,имеющихся на сегодняшний день для Ba3 Cr2 O8 , и может быть использована в дальнейшем 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 и слабовзаимодействующими возбуждениями всегда существует переход из фазы “бозе-стекла” в фазу моттовского изолятора.124) Впервые теоретически рассмотрены спиральные магнетики с ВДМи с беспорядком в константах обменного взаимодействия и векторахВДМ.

Впервые обнаружен дальнодействующий характер возмущенияспирального магнитного порядка одиночными дефектами такого рода. Показано, что это возмущение описывается уравнением Пуассонадля электрического диполя. Для систем с конечной концентрациейдефектов впервые вычислены поправки к вектору спирали, сечениеупругого рассеяния нейтронов и спектр магнонов. Все полученныерезультаты могут использоваться для анализа соответствующих экспериментальных данных.Апробация работыАпробация работы.Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждалисьна международных конференциях:Joint European Magnetic Symposia “JEMS-2013”, г. Родос, Греция, 2013;1st International Conference and School “Saint-Petersburg OPEN 2014”,г.

Санкт-Петербург, Россия, 2014; Moscow International Symposium onMagnetism “MISM-2014”, г. Москва, Россия, 2014; III International Workshop“Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and Exotic Spin 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, СанктПетербург, г. Зеленогорск, Россия, 2013; 48-ая Школа ПИЯФ по Физике Конденсированного Состояния, Санкт-Петербург, г. Зеленогорск, Россия, 2014; конференция “Совещание по использованию рассеяния нейтронов и синхротронного излучения в конденсированных средах”, г. СанктПетербург, 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 Конденсированного13Состояния, Санкт-Петербург, г.

Зеленогорск, Россия, 2015.Основное содержание диссертации изложено в работах [25–28]Структура диссертацииОсновная часть диссертации организована следующим образом.В главе 1 представлено теоретическое рассмотрение квантовых фазовых переходов, индуцированных магнитным полем, в трехмерных спиндимерных веществах с гексагональной структурой. Для устранения нерешенных ранее проблем в теоретическом описании, в разделе 1.2 была предложена новая модель обменных взаимодействий в веществах такой структуры.

Для расчетов использовалась теория возмущений по отношениюмеждимерных обменных взаимодействий к внутридимерному. Во второмпорядке были вычислены следующие величины: в разделе 1.3 спектр триплонных элементарных возбуждений в отсутствии внешнего магнитногополя, в разделе 1.4 эффективное взаимодействие триплонов в критическойточке, в разделе 1.5 зависимость критического поля от температуры и зависимость поперечной намагниченности от магнитного поля в окрестности критической точки. В разделе 1.6 произведено сравнение теоретическиполученных выражений с доступными экспериментальными данными, измеренными в веществе Ba3 Cr2 O8 . Получено хорошее соответствие междуними.

Показано, что, в согласии с экспериментальными данными, система следует сценарию трехмерной бозе-эйнштейновской конденсации приT < 1K. Обзор результатов и выводы к первой главе приведены в разделе1.7.В главе 2 рассматриваются фазы со щелью в спектре элементарныхвозбуждений спиновых систем с разупорядоченными обменами. Конкретнее, исследуется влияние бинарного беспорядка на свойства элементарныхвозбуждений. Теория изложена на примере димерных системы со спином1/2 и систем с целым спином и большой одноионной анизотропией типалегкая плоскость всех пространственных размерностей, свойства которыхкратко приведены в разделе 2.2. В разделе 2.3 описаны два рассматриваемых типа беспорядка - беспорядок в константах внутридимерного обмен14ного взаимодействия или легкоплоскостной анизотропии и беспорядок вмалых константах обменных взаимодействий, между спинами из соседнихузлов магнитной решетки.

Там же описаны использованные методы - метод Т-матрицы, дающий поправки к спектру элементарных возбужденийи плотности состояний в первом порядке по концентрации дефектов и численные расчеты, проводимые с целью проверки аналитических формул, атакже выяснения природы состояний, для которых аналитический методнеприменим. В разделе 2.4 показано, что состояния далекие от краев зоны остаются распространяющимися с конечным временем жизни, за счетрассеяния на дефектах. Состояния же у дна и потолка зоны становятся локализованными.

Обнаружено, что затухание элементарных возбуждений врассмотренных системах значительно более сильное, чем в магнитоупорядоченных бесщелевых магнетиках с дефектами. Были проанализированыусловия на возникновение изолированных примесных уровней в системе.Также обсуждается применимость полученных результатов к другим системам со щелью в спектре элементарных возбуждений. Обзор результатови выводы ко второй главе приведены в разделе 2.5.В главе 3 рассмотрены одномерные бозонные системы с бинарным беспорядком (то есть распределением, в котором случайная величина можетпринимать только два значения с произвольными весами) и фазовые переходы в них.

Реальными системами, к которым применимо это исследование являются квантовые магнетики с беспорядком, подробно описанныево второй главе. Соответствующие спиновые модели эквивалентны моделиБозе-Хаббарда со случайным химическим потенциалом. Для аналитического описания использовался самосогласованный метод Т-матрицы, который позволяет выйти за пределы первого порядка по концентрации дефектов, соответствующий формализм приведен в разделе 3.2.1. В предположении, что взаимодействие квазичастиц является наименьшим энергетическим масштабом теории, в разделе 3.2.2 были получены выражения дляобратной корреляционной длины, которые оказались качественно совпадающими для унитарного предела (бесконечной величины примесного потенциала) и при конечных силах дефектов.

Показано, что фаза моттовскогоизолятора существует всегда, в противоположность случаю распределен15ного на некотором интервале потенциала дефектов, при котором фаза сощелью может не существовать. Было получено, что при увеличении магнитного поля происходит переход из фазы моттовского изолятора в фазу“бозе-стекла”, однако второй переход в сверхтекучую фазу развитая теория не описывает. В разделе 3.3.1 представлена физическая картина, возникающая в системе при “отрицательной щели”. Одночастичная плотностьсостояний вычислена в разделе 3.3.2 в рамках самосогласованного методаТ-матрицы, численно и аналитически (в унитарном пределе). Между этимитремя методами получено хорошее согласие.

Обзор результатов и выводыко второй главе приведены в разделе 3.4.В главе 4 исследуются спиральные магнетики с дефектами. Предполагается, что на дефектных связях изменяется как обменное взаимодействие,так и взаимодействие Дзялошинского-Мория.

В двух больших разделах,имеющих почти одинаковую структуру, 4.2 и 4.3, рассмотрены два видаспиральных магнетиков с дефектами - слоистые и кубические со структурой B20, соответственно. В разделах 4.2.2.1 и 4.2.2.2 показано, что, как вслучае дефектов только во взаимодействии Дзялошинского-Мория, так ив случае, когда обменное взаимодействие тоже изменяется на дефектнойсвязи, искажение спирального порядка вокруг одиночной дефектной связиописывается уравнением Пуассона для электрического диполя.