Диссертация (1097575), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Болеетого, межцепочечные взаимодействия в подсистеме CuII также зафрустрированы.277Как показано на рисунке 6.14, предположительно расцепленная подсистема медив Ba3Cu3In4O12 состоит из трехмерного квадратного каркасаРисунок 6.14. Структура слоев CuI (левая панель) и CuII (правая панель) вплоскости ab в Ba3Cu3In4O12.
Ионы Cu2+ соединены сплошными линиями.Большие, средние и маленькие сферы представляют ионы Ba2+, In3+ and O2–,соответственно. Отметим, что соседние слои CuII повернуты на 90° друготносительно друга вдоль оси c. Ортогональное расположение магнитныхмоментов меди – как возможное основное состояние трехмерной модели Шастри– Сазерленда в Ba3Cu3In4O12 (нижняя панель).278атомов CuI (левая панель), вставленного между взаимно ортогональнымидвумерными решетками – слоями Шастри – Сазерленда (правая панель), чтоприводит к формированию трехмерной решетки Шастри – Сазерленда в системе[146]. В более общей теории Шастри – Сазерленда димеры в соседних слоях несвязаныпрямымобменнымвзаимодействием,новзаимодействуютспромежуточным спином, расположенным между ними [324].ВмоделиШастриантиферромагнитныйвзаимодействия,и–Сазерлендапорядокближнийсистемаприпорядок,демонстрируетдоминированииилидимерноедальниймеждимерногосостояние,придоминировании внутридимерного взаимодействия.
Последние исследованияпредполагают, что существует промежуточная фаза между Неелевской идимерными фазами [325]. Хотя природа этого возможного промежуточногосостояния в модели Шастри – Сазерленда до сих пор не установлена, одним извозможных кандидатов для этого состояния может быть ортогональнаяантиферромагнитная решетка [326].Тем самым, дальний антиферромагнитный порядок в Ba3Cu3In4O12 можетбытьпредставленкактривзаимноперпендикулярныхнезависимыхортогональных подсистемы, как показано на рисунке 6.14 (нижняя панель).
Втаком расположении магнитных моментов полностью отсутствует фрустрация.Слабость обменных магнитных взаимодействий приводит к низкому значениюполя насыщения BS, тогда как отсутствие фрустрации в ортогональномрасположении спинов при низких температурах приводит к сравнительновысокой температуре магнитного упорядочения TN.
В таком расположениимагнитных моментов, поддерживаемом магнитокристаллической анизотропией,псевдодипольное взаимодействие и взаимодействие Дзялошинского – Морийяобеспечивают взаимосвязь между тремя взаимно ортогональными магнитнымиподсистемами.Малоемагнитноеполе,приводящеекнасыщениюнамагниченности в Ba3Cu3In4O12, указывает на близость системы к квантовойкритической точке, разделяющей ортогональную и коллинеарную фазы.279Исследования нейтронной дифракции Ba3Cu3Sc4O12 подтвердили наличиедальнего магнитного порядка в системе при низких температурах, которая весьмачувствительна к воздействию внешнего магнитного поля [327]. Анализнейтронных данных, представленных на рисунке 6.15, на изоструктурномсоединенииBa3Cu3Sc4O12позволяетисключитьмодельферромагнитнойбумажной цепочки на Ba3Cu3In4O12. Здесь отсутствуют магнитные рефлексы,отвечающие ферромагнитному расположению магнитных моментов меди в«бумажной» цепочке, тогда как наблюдаемый магнитный рефлекс с волновымвектором k = [010] допускает ортогональное расположение магнитных моментовв решетке.
Эти данные, однако, не позволяют различить коллинеарное иортогональное расположение антиферромагнитных структур. Наши данные потермодинамическим свойствам в скандате бария – меди (TN = 16 K), которыебудут представлены позже, указывают на идентичность его индату бария – меди,что делает эти соединения семейством неколлинеарных антиферромагнетиков.Рисунок 6.15. Спектры нейтронной дифракции Ba3Cu3Sc4O12, обработанные пометоду Ритвельда (левая панель).
Спектры нейтронной дифракции Ba3Cu3Sc4O12,измеренные при низких температурах в различных магнитных полях (праваяпанель) [327].Альтернативная модель немагнитного основного состояния в системеBa3Cu3In4O12 была предложена на основании данных ядерного квадрупольного имагнитного резонансов [328]. Так, в медь – кислородной цепочке в качестве280основной составляющей единицы можно выделить тример Cu1 – 2Cu2, еслиучесть, что позиция Cu1 подвижна.
Cмещаясь вверх/вниз относительногоризонтальной плоскости плакетки, ион Cu1 оказывается несколько ближерасположен к парам ионов Cu2, формируя, тем самым, виртуальный тример.Схематично возможные обменные взаимодействия в таком тримере и во всейбумажной цепочке представлены на рисунке 6.16. Предполагается, что внутритриммераобменноемагнитноевзаимодействиеJ12междуCu1иCu2ферромагнитно, а J22⊥ между Cu1 и Cu2 антиферромагнитно. Из решениягамильтониана для такой системы, можно определить энергии состояний дляслучаев, когда спин димера равен 0, общий спин тримера равен 1/2 (уровень 012Рисунок 6.16. Плоская схема медной “бумажной”цепочки с Cu1-2Cu2 тримерами и главнымиобменнымимагнитнымивзаимодействиями.Главное обменное магнитное взаимодействиеCu1 – Cu2 внутри тримера J12, другой обменвнутри тримера Cu2 – Cu2 обозначен J22⊥,наконец, обмен между ионами Cu1 – Cu1 междутриммерами – J11, и обмены между ионами Cu2 –Cu2 между триммерами обозначены J22|| и J22′[328].281Рисунок 6.17.
Энергетический спектр для изолированного триммера Cu1-2Cu2 вBa3Cu3In4O12 [16].на рисунке 6.17); спин димера равен 1, общий спин тримера равен 1/2 (уровень 112на рисунке 6.17); спин димера равен 1, общий спин тримера равен 3/2 (уровень 132на рисунке 6.17). Можно заметить, что если J22⊥ < 1/2⏐J12⏐, то триммер Cu1 –2Cu2 ферромагнитен; тогда как если J22⊥ > 1/2⏐J12⏐, то высокоспиновоеферромагнитное состояние сменяется низкоспиновым синглетом из ионов медиCu2. Другими словами, спиновый магнетизм в этом состоянии определяетсяподсистемой Cu1 S = 1/2.Вподдержкууказаннойтеоретическоймоделимогутвыступатьпервопринципные расчеты обменных магнитных взаимодействий, выполненныедля Ba3Cu3Sc4O12 [327]: J12 ≈ (−12.4)–(−14.6); J22⊥ ≈ 6.9–8.2; J22|| ≈ 2.5–10.5; J11 ≈2.7–5.6 meV.
Эти данные убедительно указывают на ферромагнитный J12,антиферромагнитный J22⊥ и отношение J22⊥/⏐J12⏐слегка больше 1/2. Тем самым,основное состояние системы может быть составлено из немагнитного синглета2Cu2 (S = 0) и изолированного иона Cu1 (S = 1/2). Это состояние обладаетменьшей энергией, чем состояние ферромагнитного высокоспинового S = 3/2282триплета. Дополнительным указанием на присутствие такой двухуровневойсистемы могут служить измерения электронного парамагнитного резонанса,которые выявили наличие щель 63ГГц ≈ 3 К, а также измерения теплоемкости, вкоторой обнаружена аномалия типа Шоттки с щелью ~ 10 К.Тем самым, к настоящему времени для описания квантового основногосостояния в Ba3Cu3In4O12 предложены две различающиеся модели: взаимноортогональных антиферромагнитных решеток и немагнитного димера 2Cu2 смагнитной квадратной решеткой Cu1.
Для решения имеющейся проблемынеобходимы нейтронографические измерения на монокристаллах соединений стопологией магнитной подсистемы типа «бумажной» цепочки.283§6.2. Эволюция физических свойств в Ba3Cu3(In1-хScx)4O12При замещении индия на скандий, что можно рассматривать какприложение некоторого химического давления, в системе Ba3Cu3(In4-xScx)O12наблюдается плавное изменение параметров магнитной подсистемы. Так,температурнаязависимостьстатическоймагнитнойвосприимчивостивBa3Cu3(In4-xScx)O12 (х = 1-4), измеренная в поле B = 0.1 T после охлажденияобразца в присутствии магнитного поля представлена на рисунке 6.18.
Принизких температурах все зависимости χ(Т) демонстрируют острый пик, который(χ-χ0)⋅(T-Θ) (emu K/mol)указывает на формирование антиферромагнитного порядка.χ (emu/mol)0.31.21.00.20.80.10.0020040100200T (K)6080100T (K)Рисунок 6.18.Магнитная восприимичивостьχ(T)вBa3Cu3In3ScO12( ),Ba3Cu3In2Sc2O12 (Δ), Ba3Cu3InSc3O12 (∇) и Ba3Cu3InSc3O12 (ο) измеренная в поле B= 0.1 T.
На вставке представлены температурные зависимости (χ-χ0)(Т-Θ) для техже соединений, полученных из аппроксимации законом Кюри Вейсса.284Таблица6.3.ПараметрымагнитнойподсистемывсоединенияхBa3Cu3(In4-xScx)O12, полученные из обработки температурных зависимостеймагнитной восприимчивости.СоединениеBa3Cu3In3ScO12TNχ0χdiam(K)(emu/mol)CΘg-(emu/mol) (emu K/mol) фактор(K)14.2 -2.5·10-4±8 10-5 -3.20·10-41.33±0.032.1759.52±2.43Ba3Cu3In2Sc2O12 14.20-3.07·10-41.27±0.062.1364.06±5.01Ba3Cu3InSc3O1215.10-2.94·10-4 1.25±0.0012.1173.13±0.26Ba3Cu3Sc4O1216.4 5.4·10-4±6·10-5 -2.80·10-42.0570.27±2.201.18±0.03Температура максимума смещается вверх с ростом содержания скандия, какпоказано в результирующей Таблице 6.3. Практически во всех образцах вмагнитоупорядоченномсостояниимагнитнаявосприимчивостьпадаетприблизительно на одну треть от своего максимального значения, что характернодляполикристаллическихобразцовлегкоосныхантиферромагнетиков.Исключение составляет образец Ba3Cu3In2Sc2O12, где наблюдается некоторый ростмагнитной восприимчивости при самых низких температурах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
