Автореферат (1097669), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Казань,Казанский (Приволжский) федеральный университет, 2014; Совещание иМолодежнаяконференцияпоиспользованиюрассеяниянейтроновисинхротронного излучения в конденсированных средах, Санкт-Петербург.Гатчина: ПИЯФ, 2014; Intern. Conf. Applied Mineralogy and Advanced Materials,Castellaneta Marina, Италия, 2015; на секции по магнетизму секции помагнетизму Российской Академии Наук в Институте Физических Проблемимени П.Л.
Капицы РАН (2014, 2015).Объем и структура диссертацииДиссертация изложена на 360 страницах и содержит 233 рисунка, 23таблицы и 329 литературных ссылок. Нумерация рисунков и таблиц проведенапоглавно, нумерация ссылок на литературные источники – сквозная.Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемойлитературы и приложения.17ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,сформулированы задачи исследований, и дан анализ научной новизныисследований, положенных в основу диссертационной работы.В первой главе представлен аналитический обзор литературы поквазидвумерным магнетикам с различной геометрией обменных связей,включая решетки типа пчелиных сот, треугольной решетки, квадратнойрешетки, решетки кагоме, страйп структуры и др.
Приведено описание ихосновных термодинамических свойств и магнитных фазовых диаграмм.Рассмотрены актуальные теоретические модели формирования основныхквантовых состояний. Обсуждается влияние фрустрации и анизотропии наособенности формирования различных магнитных фаз, включая экзотическиеквантовые состояния типа вихревых фаз и спиновой жидкости. Описаныособенности спиновой динамики в квазидвумерных магнетиках.Во второй главе приводится описание экспериментальных методик,использованныхвработе.Впредставленнойработетеплоемкостьисследованных соединений изучалась релаксационным методом с помощьюсистемыизмеренияМагнитныесвойствафизическихсвойствнизкоразмерных(PPMS-9T,QuantumметаллооксидныхDesign).соединенийизмерялись с помощью СКВИД магнитометров (MPMS-5T, MPMS-7T, QuantumDesign), а также опции вибрационный магнитометр (VSM) системы измеренияфизических свойств (PPMS-9T, Quantum Design). Для измерения спектровэлектронного парамагнитного резонанса (ЭПР) применялись две оригинальныеустановки,оборудованныекриогеннымисистемамитермостатированияработающими в двух различных диапазонах температур (6 - 273 K и 85 – 50018K).
В каждой из установок сигнал ЭПР измерялся с помощью портативногоспектрометра ЭПР (CMS 8400, ADANI) на постоянной частоте ν~ 9.5 ГГц.В третьей главе дано описание результатов исследований статических идинамических магнитных свойств, квантовых основных состояний и магнитныхфазовых диаграмм для ряда новых квазидвумерных магнетиков с решеткамитипа пчелиные соты.Слоистая кристаллическая структура антимонатов A3X2SbO6, (A = Li, Na,Ag; X = Ni, Co), в которой магнитоактивные катионные слои чередуются снемагнитными слоями щелочного металла, и типичная температурнаязависимость магнитной восприимчивости для одного из исследованныхобразцов показаны на рис.
1. Данные по магнитной восприимчивости χ(T) иудельной теплоемкости Cp(T) свидетельствуют об установлении дальнегоантиферромагнитного порядка для всех исследованных квазидвумерныхмагнетиков этого семейства с температурами Нееля TN ~ 14 K (Li), 16 K (Na)для никелевых образцов и 6.7 K (Na), 21.2 K (Ag) и 9.8 K (Li) для кобальтовыхобразцов, соответственно. Значения температуры Вейсса, однако, полученныеиз аппроксимации χ(T) по закону Кюри-Вейсса в области высоких температур,оказывается положительным для ряда образцов, указывая на доминированиеферромагнитных корреляций в парамагнитной фазе.
Дополнительное указание0,080,06TN0,04effective g-factor0,102,42002,0ESR0,001001,650 100 150 200 250 300 350 400T (K)SQUID DataESR DataCurie-Weiss Fit0ESR β∆Β ∼ Α(TN /T-TN ) +CT00,02300Li3Ni2SbO6100∆B (mT)χ (emu/mol), χesr (arb. units)на нетривиальный характер обменных взаимодействий обнаруживается и из200300400T (K)Рис. 1. Полиэдрический вид слоистой кристаллической структуры Na3Ni2SbO6 –C2/m (слева), ячейка типа пчелиные соты в плоскости ab (в середине) итемпературные зависимости магнитной восприимчивости в поле B = 0.1 T и19интегральной интенсивности ЭПР (справа).
На вставке справа: температурныезависимости эффективного g-фактора и ширины линии ЭПР.полевыхзависимостейнамагниченности,которыепоказываютнижетемпературы Нееля TN два последовательных индуцированных магнитнымполем перехода прежде, чем достичь полного насыщения магнитного момента.Теоретическиерасчетыпоказали,чтомежслоевоевзаимодействиесущественно ослаблено, в то же время как ферромагнитные, так иантиферромагнитные внутрислоевые обменные взаимодействия присутствуютв магнитоактивных катионных слоях. При этом между магнитными катионамипереходных металлов устанавливается нетривиальный антиферромагнитныйпорядок типа зигзаг (ферромагнитные зигзагообразные цепочки, связанныеантиферромагнитно), предсказанный для решетки пчелиные соты в моделиКитаева [1]. Методом низкотемпературной нейтронной дифракции обнаружено,чтомагнитнаяструктуранекомпланарная,Na3Co2SbO6спиральнаяипредставляет собой суперпозицию коллинеарной в общем направлении сдлиннопериодной синусоидальной структурой.
Значения обменов разныхзнаков для образцов с никелем оказываются сопоставимы по величине (JFM ~ 22 – 25 K и JAFM ~ 15 – 18 K), тогда как, они существенно различны (JFM ~ -2 Kи JAFM ~ 28 K) для делафоссита Ag3Co2SbO6, что объяснено специфическиморбитальным упорядочением при формировании контактов ближайших соседейCo-Co в гексагоне в парах связанных по ребру октаэдров CoO6. Отдельныечастично заполненные «магнитоактивные» t2g-орбитали для двух ионов Co,участвующих в формировании коротких контактов Со-Co направлены друг кдругу и обеспечивают сильный АФМ обмен и по прямому и посуперобменному механизму, тогда как при формировании четырех другихдлинныхконтактовСо-Co«параллельное»расположениеt2g-орбиталейблокирует АФМ обмен, допуская только слабый ФМ обмен между частьюближайших соседей, что обуславливает выраженную иерархию обменов.Суммируя данные термодинамических и резонансных исследований вшироком интервале температур и магнитных полей были построены магнитные20фазовые диаграммы для новых квазидвумерных магнетиков Li3Ni2SbO6,Na3Ni2SbO6, Na3Co2SbO6, Ag3Co2SbO6 и Li3Co2SbO6 (рис.
2).25(a)Na3Ni2SbO620TN - Cp(T)AF3AF2NMR100TN - dχ/dT(T)BSF - M(B)BC2 - M(B)Bsat - M(B)AF15TN - Cp(T)15BSF - M(B)B (T)B (T)TN - dχ/dT(T)15BC2 - M(B)510NMR5PM0Bsat - M(B)AF210PMAF1150200510T (K)(c)PMAFMM(B)-Viciu et alM(B)-BC2IIIPMAFM12M(B)-BC11,520δχ/δT(T) -TNM(T) -TC8B (T)δχ/δT-TN1,0(d)C(T) -TN10Cp(T)-TNχ(T)-TmaxB (T)15T (K)2,0IIII6M(B) - BC40,52I0,0(b)Li3Ni2SbO620AF3012345678910T (K)0I0102030T (K)Рис. 2. Магнитные фазовые диаграммы для антимонатов Na3Ni2SbO6 (a),Li3Ni2SbO6 (b), Na3Co2SbO6 (c) и Ag3Co2SbO6 (d).В новом синтетическом минерале ванадате-карбонате калия-марганцаK2Mn3(VO4)2(CO3), в структуре которого чередуются слои с топологией ионовмарганца типа пчелиных сот со слоями почти изолированных ионов марганца,такжепроисходитустанавливаетсяформированиедвухступенчатымдальнегообразом.порядка,которыйТемпературныеоднакозависимоститеплоемкости при этом обнаруживают присутствие двух последовательныхпереходов при T1 = 2 K и T2 = 3 K, а кривые намагничивания обнаруживаютплато на ~1/5 момента насыщения.
Интересно отметить, что сравнениетемпературы упорядочения с оцененной величиной температуры Вейсса Θ = 114 К показывает, что индекс фрустрации принимает аномально большоезначение в K2Mn3(VO4)2(CO3) f = Θ/TN ~ 50 (!). По-видимому, фрустрация21играет ключевую роль нетривиальном магнетизме этой системы с реализациейпромежуточной упорядоченной фазы на магнитной фазовой диаграмме.Сосуществование ближнего с Tmax = 38.4 K и дальнего с температуройНееля TN = 33.4 K магнитного порядка обнаружено в гидроксиде фосфатенатрия-никеля Na2Ni3(OH)2(PO4)2. Анализ структуры этого образца показал, чтогеометрия магнитной подсистемы этого соединения уникальна и представляетсобой промежуточный вариант между решеткой пчелиные соты и решеткойкагоме с двумя неэквивалентными позициями ионов Ni2+.
Два сорта магнитныхцентров проявляются в спектрах ЭПР в виде суперпозиции двух резонансныхмод (слева на рис. 3). При этом спиновая динамика при вариации температурысвидетельствует о сильной обменной корреляции между двумя никелевымиподсистемами. В самом деле, в отличие от чистой кагоме решетки, вNa2Ni3(OH)2(PO4)2 позиции Ni1 остаются не смещенными на половину периодаотносительно друг друга вдоль оси c, т.е. реализуется страйп вариант решеткикагоме (в середине на рис. 3), что почти полностью снимает фрустрацию,несмотря на антиферромагнитную природу всех обменных взаимодействий,которую мы определили из первопринципных расчетов. При этом, обнаружено,что сильнейший обмен J3 ~ 38.3 K устанавливается между связанными по ребруоктаэдрами никеля в позициях Ni2, как показано на правой части рис.
3, адругие обмены слабее в три (J4 и J5), в четыре (J2) и в восемь раз (J1)соответственнои,вцелом,объединяютдвеподсистемывмагнитоактивный слой. Это удовлетворительно объясняет гораздо более10ExpTotalLine1Line28dP/dB (arb. units)6g2420-2g1-4-6-8-10100200300400500600B (mT)22единыйРис. 3. Спектр ЭПР при T = 300 K (слева); топология магнитной подсистемы (всередине); и основные пути обменных взаимодействий Ni–Ni внутримагнитоактивного слоя в Na2Ni3(OH)2(PO4)2.высокую по сравнению с другими никелевыми фосфатами и ванадатамитемпературу упорядочения.В четвертой главе рассмотрены особенности формирования ближнего идальнего порядка в ряде новых квазидвумерных магнетиков с треугольнойгеометрией магнитной подсистемы.Дальний антиферромагнитный порядок обнаружен в оксиде Li4FeSbO6 (TN≈ 3.6 K) и двух полиморфных модификациях MnSb2O6 (TN ≈ 12 K для фазы P321и TN ≈ 8 K для фазы P31m).
Термодинамические характеристики исследованныхобразцов оказываются чрезвычайно чувствительны к влиянию внешнегомагнитного поля, что обуславливает большое разнообразие магнитных фаз наих фазовых диаграммах. Температурные зависимости удельной теплоемкости,(левая панель), ширины линии поглощения ЭПР (средняя панель) для Li4FeSbO6и полевые зависимости намагниченности для фазы P321 MnSb2O6 (праваяпанель) представлены на рис. 4, а их магнитные фазовые диаграммы на рис. 5.B (T)30032250Spin Wave5005110152020011040T (K)τ = T/TKM-1-0.4-0.2Magnetic entropy3015010020Rln6τ = T/TKM-1-0.4-0.2−0.4210011040Sm0204060T (K)80-τ5010005010015010152025302.4 K(a)4.2 K410 K2 2K (static)22300dM/dB (arb.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
