Диссертация (1097575)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ__________________________________________________________________На правах рукописиВолкова Ольга СергеевнаКВАНТОВЫЕ ОСНОВНЫЕ СОСТОЯНИЯ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ МАГНЕТИКОВСпециальность 01.04.09 – физика низких температурДиссертацияна соискание ученой степенидоктора физико – математических наукКонсультант:доктор физ. – мат. наук, профессор Васильев А.Н.Москва, 20142ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………...5ГЛАВА 1.
НИЗКОРАЗМЕРНЫЙ МАГНЕТИЗМ………………………...14§1.1. Изолированные магнитные кластеры…………………………………..151.1.1. Димеры…………………………………………………………….151.1.2. Тримеры…………………………………………………………...251.1.3. Тетрамеры…………………………………………………………301.1.4. Бозе – Эйнштейновская конденсация магнонов………...... .......35§1.2. Квазиодномерные магнетики……………………………………………381.2.1. Однородная цепочка полуцелочисленных спинов………… ….381.2.2. Однородная цепочка с конкурирующими обменнымивзаимодействиями. Модель Маджумдара – Гоша……………………431.2.3. Альтернированная цепочка полуцелочисленных спинов……..461.2.4. Однородная цепочка целочисленных спинов…………………..521.2.5.
Спин-Пайерлсовский переход…………………………………...561.2.6. Орбитальный механизм димеризации спиновой цепочки…….61§1.3. Спиновые лестницы……………………………………………………..651.3.1. Спиновые лестницы с нечетным числом направляющих:спиновая жидкость без щели в спектре спиновых возбуждений……651.3.2. Спиновые лестницы с четным числом направляющих:спиновая жидкость с энергетической щелью в спектре магнитныхвозбуждений…………………………………………………………….681.3.3. Зарядовый механизм димеризации спиновой лестницы……...731.3.4. Комбинации спиновых цепочек и спиновых лестниц:магнетизм и сверхпроводимость………………………………………77§1.4.
Квазидвумерные магнетики…………………………………………….791.4.1. Модель Яфета – Киттеля на треугольной решетке……………791.4.2. Фрустрация обменных взаимодействий в треугольныхРешетках и решетках типа «кагоме»………………………………….831.4.3. Решетка Шастри – Сазерленда………………………………….893ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ…………………………...95§2.1. Синтез и структура низкоразмерных магнетиков. Фазовыйсостав образцов......................................................................................... ….....95§2.2.
Методика калориметрических измерений..............................................96§2.3. Методики магнитных измерений......................................…..................1012.3.1. СКВИД – магнитометр………………………………………….1012.3.2. Вибрационный магнитометр.................................…………..…1032.3.3. Магнитометр импульсных полей...........................................…104§2.4. Методики исследования с помощью проникающего излучения,резонансные методики……………………………………………………….105ГЛАВА 3. НИЗКОРАЗМЕРНЫЕ ДИМЕРИЗОВАННЫЕСИЛИКАТЫ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ…………………………..107§3.1.
Управление спиновой щелью в Na2Cu2Si4O11·xH2O (0 < x < 2)при вариации H2O…………………………………………………………...107§3.2. Плато 3/5 в намагничивании Na2Cu5Si4O14 ………………………….117§3.3. Силикат бария-ванадия BaVSi2O7 как t2g аналог BaCuSi2O6………..130ГЛАВА 4. ЭФФЕКТЫ БЛИЖНЕГО И ДАЛЬНЕГОМАГНИТНОГО ПОРЯДКА В ДИМЕРАХ И ЦЕПОЧКАХНИТРАТОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ…………………………….142§4.1. Низкоразмерный антиферромагнетик Cu(NO3)2*H2O................ .......142§4.2. Модель “флага конфедерата” и основное состояние в(NO)Cu(NO3)3........................................................................................
.........155§4.3. Димеры S=1 и дальний магнитный порядок в Rb3Ni2(NO3)7.. ..........174§4.4. Неколлинеарное ферримагнитное состояние в S=1кагомерешетке Ni(NO3)2................................................................................... .........188ГЛАВА 5. БЛИЖНИЙ И ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК В ЦЕПОЧКАХ ИДВУМЕРНЫХ ПЛОСКОСТЯХ……………………………………… ….202§5.1. Альтернированная цепочка и антиферромагнетизм в Cu2As2O7 … ..202§5.2.
Слабый ферримагнетизм и обращение намагниченности вα -Cr3(PO4)2…………………..………………………………………… …….2104§5.3. Сосуществование активных электрической и магнитнойподсистем в Li2CuZrO4……………………………………………………..225§5.4. Фрустрация обменных взаимодействий в AgFeO2…………………245ГЛАВА 6. НЕТРИВИАЛЬНЫЙ АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ ВТОПОЛОГИИ «БУМАЖНОЙ» ЦЕПОЧКИ…………………… …….259§6.1.
Трехмерная решетка Шастри – Сазерленда и ее основноесостояние в Ba3Cu3In4O12…………………………………………….…….259§6.2. Эволюция физических свойств в Ba3Cu3(In1-хScx)4O12………….….283ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................... .......292СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПОТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ…………………………………………….……294ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………….………3025ВВЕДЕНИЕКлюч к пониманию фундаментальных свойств материи лежит при низкихтемпературах.Вусловиях,низкоэнергетическиекогдатепловыевзаимодействия,колебанияоткрываетсянеполескрываютквантовыхкооперативных явлений, не имеющих аналогов в классической физике.
Именноэти явления - сверхпроводимость, экзотический магнетизм, волны спиновой изарядовой плотности, бозе-эйнштейновская конденсация - актуальны в физикеконденсированного состояния. Наиболее ярко эти эффекты проявляются всоединениях, где магнитоактивные ионы формируют каркасы пониженнойразмерности, как то димеры, цепочки, спиновые лестницы, двумерные плоскости.Актуальность работыФундаментальная значимость заявленной проблемы и ее актуальностьопределяются тем, что работы по изучению физических свойств новых магнитныхматериалов направлены на познание наиболее общих эффектов и взаимодействий,формирующих квантовые основные состояния материи.
В рамках единой научнойкартинымирамогутрассматриватьсянетолькопроблемыфизикиконденсированного состояния, например, проблема сверхпроводимости, но икосмологии и элементарных частиц (в этом плане полезно сопоставить полеГинзбурга-Ландау и поле Хиггса – Энглера – Браута). В пределах заявленнойпроблемы рассматриваются и такие «частные» вопросы как нахождениеобщности между квантовыми кооперативными явлениями в конденсированныхсредах. Частными, впрочем, эти вопросы можно считать лишь условно, посколькук физике конденсированного состояния вещества относится основная доля всехфизических исследований.
Квантовые кооперативные явления - магнетизм,сверхпроводимость,волнызарядовойплотности,бозе-эйнштейновскаяконденсация и т.д. - образуют особый, наиболее актуальный раздел физикиконденсированного состояния. Именно квантовые аспекты в поведении материи6("запутывание"волновыхфункций,спин-поляризованныйтранспорт,экзотическая сверхпроводимость) лежат в основе или предполагаются киспользованию в наиболее передовых технологиях. Настоящая работа направленана установление фундаментальной общности и глубинных аналогий междунизкоразмерным и фрустрированным магнетизмом, с одной стороны, исверхпроводимостью, с другой стороны. Эти два явления – магнетизм исверхпроводимость, считавшиеся долгое время антиподами, обнаруживают общиечерты в объектах, находившихся ранее вне поля зрения теоретиков иэкспериментаторов.
Само обнаружение высокотемпературной сверхпроводимостивсложныхоксидахпереходныхметаллов,которыеисходноявляютсяантиферромагнитными изоляторами, полностью изменило вектор развитияфизики твердого тела. Интерес стали привлекать так называемые «новыемагнетики», т.е. вещества с пониженной размерностью магнитной подсистемы ифрустрацией обменного взаимодействия. Стало ясно, что в некоторых из этихсистем основным состоянием материи является спиновая жидкость, а свойстваэтого состояния и его элементарных возбуждений близки к свойствамэлектронной жидкости в сверхпроводниках.
Этим, собственно, и определяетсянаучная значимость заявленной проблемы.Внастоящейработевпервыесистематическиисследованытермодинамические свойства новых низкоразмерных металооксидов в целом рядесемейств, включая силикаты переходных металлов Na2Cu2Si4O11, Na2Cu5Si4O11,BaVSi2O7;нитратыпереходныхCu(NO3)2⋅H2O,металлов(NO)Cu(NO3)3,Rb3Ni2(NO3)7, Ni(NO3)2; сложные одно- и двумерных металлооксиды Cr3(PO4)2,Cu2As2O7, Li2CuZrO4, AgFeO2; трехмерные решетки Шастри – СазерлендаBa3Cu3In4-xScxO12. Для получения более полной картины квантовых основныхсостоянийвисследованныхобъектахпервичнаятермодинамическаяхарактеризация была дополнена и расширена (в сотрудничестве с другими научно–исследовательскимиисследованийрентгеновскогосгруппами)помощьюизлучения,данныминейтронов,омюонов,теоретическихрезонансныхспектровпервопринципныхсвойствах,поглощениярасчетов7энергетического спектра.
Спецификой проведенных исследований является нетолько международная коллаборация, сопровождаемая публикациями в ведущихнаучных журналах по физике конденсированного состояния, но и остраяконкуренция. При выполнении настоящей работы происходили конкурентные"пересечения",вплотьдоустановленияприоритетаивыяснениядатыпредставления статей к публикации, с Принстонским Университетом, США(работы по Ba3Cu3In4O12), Национальным Центром Исследования Материалов,Цукуба, Япония (работы по AgFeO2).Степень разработанностиПроблема низкоразмерного магнетизма известна давно и получила мощныйимпульс при обнаружении сверхпроводимости в металлооксидных соединениях.В результате исследования первых высокотемпературных сверхпроводников сложных оксидов на основе меди - было установлено, что, наряду свзаимодействием электронов проводимости с решеткой, важная роль вформировании сверхпроводящего состояния принадлежит магнитной подсистеме.Новые высокотемпературные сверхпроводники - пниктиды и халькогенидыжелеза - также демонстрируют необычные магнитные свойства при высокихтемпературах.
Этот магнетизм, в отличие от "классического" магнетизма железаобладает рядом принципиальных особенностей, что объясняет его современнуюклассификацию как "новый магнетизм". Низкоразмерный магнетизм наиболееярко проявляется во фрустрированных топологиях, когда формирование дальнегомагнитного порядка затруднено или оказывается невозможным. При этоммасштаб обменного магнитного взаимодействия может оказаться большим нетолько азотной, но и комнатной температуры. В такой ситуации магнетизм исверхпроводимость не только конкурируют, но и "помогают" друг другу.
В этомплане легирование сложных купратов носителями заряда не только подавляетантиферромагнетизм, но и открывает путь к формированию сверхпроводящегосостояния. Аналогичные процессы разыгрываются и в недавно открытых8"железных" сверхпроводниках. Важно отметить, что исследования в областинизкоразмерного магнетизма нацелены не только на повышение функциональныххарактеристик магнитных материалов, но и формируют новые направления вфизике конденсированного состояния.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
