Магнитные взаимодействия в сильно коррелированных электронных системах на основе 3d элементов (1103558)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕСИТЕТим. М. В. ЛОМОНОСОВАФизический ФакультетНа правах рукописиОхотников Кирилл СергеевичМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИЛЬНОКОРРЕЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХНА ОСНОВЕ 3d ЭЛЕМЕНТОВСпециальность 01.04.09 — физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2009Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимостифизического факультета МГУ им. М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,Гиппиус Андрей АндреевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,Смирнов Александр Ивановичдоктор физико-математических наук,Попова Марина НиколаевнаВедущая организация:Институт кристаллографииим. А.В. Шубникова РАНЗащита состоится « 21 » ___мая_______ 2009 года в _17_:_00_ на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском Государственном Университете им.
М.В. Ломоносова по адресу 119992, ГСП-2, Москва, Ленинскиегоры, д.1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан « 20 » __апреля____ 2009 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессорГ.С. ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫМагнитные системы различной размерности с сильной межспиновойкорреляцией привлекают в последнее время значительное внимание.
В результате фрустрированного магнитного взаимодействия в этих системах возможнообразование уникальных несоизмеримых спин-модулированных структур спирального типа, причем механизм формирования основного состояния в такихсоединениях до сих пор не изучен.Несмотря на интенсивные теоретические и экспериментальные исследования проблема спинового упорядочения во фрустрированных квантовых спиновых цепочках остается открытой. Интерес к таким системам обусловлен теоретическими предсказаниями существования сложной фазовой диаграммы иновых магнитных свойств, возникающих из-за интенсивного взаимодействиягеометрической фрустрации и квантовых флуктуаций в низкоразмерных системах.
Большое внимание уделяется исследованию различных купратов, имеющих такие элементы структуры, как квадраты CuO4, связанные по общему углуили общей грани. В последнем случае формируются CuO2 цепочки с углом связи Cu-O-Cu близким к 90°, что приводит к уменьшению ферромагнитного взаимодействия между ближайшими соседями, вызывая, в некоторых случаях, возникновение эффектов фрустрации.Особый интерес представляют цепочки спинов ½ с сильной внутрицепочечной фрустрацией, вызванной различием в знаках между ближайшим (NN)и следующим за ближайшим (NNN) обменными интегралами. Подобные системы экспериментально обнаружены только недавно в купратах ACuO2 с общими гранями с двухвалентными катионами A=[Li+Cu+], [Na+Cu+], [Li+V+5O2-2].Ферромагнитное взаимодействие соседних атомов в таких купратах может бытьсравнимо по порядку величины с антиферромагнитным взаимодействием соседних через одного атомов.1Недавно открытое несоизмеримое (НС) магнитное упорядочение с геликоидальной магнитной структурой при низких температурах в различных купратах с CuO2 цепочками является признаком сильной фрустрации в квантовыхспиновых цепочках (s=½), которые являются важным объектом современногоквантового магнетизма.
Некоторые из этих систем находятся вблизи квантовойкритической точки, разделяющей ферромагнитное (ФМ) и спиральное внутрицепочечное упорядочение. Другим важным свойством данных систем, имеющим фундаментальное научное значение, является магнитоэлектрическое (multiferroic) поведение, обнаруженное в LiVCuO4 и LiCu2O2. Однако, сходныхэффектов не наблюдалось в близких по структуре NaCu2O2 и Li2ZrCuO4. На сегодняшний день нет единого микроскопического объяснения свойств данныхсоединений, учитывающего симметрию и анизотропию обменных взаимодействий, а также релятивистские эффекты и эффекты, связанные с нестехиометричностью. В частности, в низкоразмерных соединениях с Li возможно межцепочечное замещение Li в позиции Cu и наоборот вследствие близости ионныхрадиусов Li+ и Cu2+. До сих пор неразрешенным вопросом остается эволюциянесоизмеримой магнитной структуры в зависимости от величины и направления внешнего магнитного поля.Купраты лития и натрия являются изоструктурными соединениями.
Приэтом ионный радиус натрия (R(Na1+)=0.97 Å) значительно превышает ионныйрадиус меди (R(Cu2+)=0.72 Å), в то время как ионный радиус лития(R(Li1+)=0.68 Å) сопоставим с ним. Вследствие этого происходит замещениемеди в цепочках на литий в купрате лития, а в купрате натрия это замещениеочень мало. Эта особенность проявляется в различии спектров ЯКР исследуемых купратов.Важную роль в формировании основного состояния сложных соединений 3d-элементов играют электронные корреляции и спиновые флуктуации.Коррелированные полупроводники и особенно Кондо-изоляторы (или тяжелофермионные полупроводники) являются подклассом Кондо-решеток, в которых2решетка магнитных 3d- или 4f-ионов взаимодействует с электронами проводимости, образуя узкую гибридизационную щель на уровне Ферми.
Признакиформирования такой щели обычно проявляются в изменении транспортных(сопротивление, термоэдс) и тепловых свойств. Убедительным экспериментальным свидетельством часто являются данные ЯМР и ЯКР, позволяющиеобойти проблемы магнитной анизотропии и гранулярности поликристаллических образцов при определении величины щели. Формирование энергетическойщели в этих узкозонных системах приводит к высокой плотности состоянийвблизи уровня Ферми N(EF), что обуславливает экзотические низкотемпературные свойства, такие как гигантская термоэдс S(T). Рекордное значение|S| ~ 45 мВ/K при 10 К было недавно обнаружено в соединении FeSb2, котороехарактеризуется как сильно коррелированный узкозонный 3d-полупроводник.Решению перечисленных вопросов и посвящена настоящая работа, а всёвышесказанное свидетельствует об актуальности её темы.Целью работы являлось исследование несоизмеримых магнитныхструктур, фазовых переходов, а также обменных магнитных взаимодействий испиновых флуктуаций в сильно коррелированных сложных оксидах и интерметаллидах 3d- элементов методом ядерного магнитного резонанса и ab-initio расчетов.Методы исследования.
Для практической реализации поставленных задач применялись методы спектроскопии ядерного резонанса. Для обработки результатов использовались возможности специализированного программногообеспечения. Расчеты выполнялись методом теории функционала плотности(ТФП) в программном пакете Wien2k.Обоснованность и достоверность экспериментальных результатов определяется использованием современного оборудования и апробированных экспериментальных методик получения и обработки результатов, а также сопоставлением данных эксперимента с результатами работ других авторов,проведенных в условиях меньшего разрешения спектральных характеристик3либо на родственных соединениях.
Обоснованность и достоверность расчетовопределяется использованием широко апробированных методов, а также сопоставлением с экспериментальными данными, как литературными, так и полученными в рамках работы над диссертацией.Научная новизна результатов диссертации состоит в проведение экспериментального и теоретического изучения новых свойств низкоразмерных несоизмеримых магнетиков LiCu2O2 и NaCu2O2, наполненных скуттерудитовMFe4Sb12 (M= La, Ca, Na) и сильно коррелированных систем FeSb2 и RuSb2.методами радиоспектроскопии и ab-initio расчетов.
На основе анализа данныхэксперимента и последующих расчетов получена дополнительная информацияо свойствах этих объектов: качественное различие структуры магнитного упорядочения в LiCu2O2 и NaCu2O2; информация о направлении и величине смещения гостевого атома в наполненных скуттерудитах MFe4Sb12 (M= La, Ca);уточнены параметры зонной структуры полупроводников FeSb2 и RuSb2.Научная и практическая значимость работы.
Полученные результатыносят фундаментальный характер и представляют интерес для понимания природы и развития физики магнитных и сильно коррелированных систем, а такжемогут быть весьма полезны при синтезе новых термоэлектрических материаловс заданными свойствами и их практическом применении.Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16-ти конференциях. По результатам диссертации опубликованыстатьи в 4-x ведущих российских и международных журналах.
Полный списокконференций и публикаций приведен в конце диссертации.Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения исписка цитируемой литературы, содержит 133 страницы текста, включая 50 рисунков, 8 таблиц. В диссертации использовано 97 литературных источников изних 84 иностранных.Рисунки и таблицы для каждой главы пронумерованы отдельно. Заключение дано отдельно по каждой главе.4КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приведена краткая характеристика диссертации: цели исследования, актуальность, обоснованность, научная новизна.
Выписаны основные результаты работы и приведено краткое содержание диссертации по главам.Первая глава посвящена несоизмеримому упорядочению в магнетиках итеории термоэлектрического охлаждения. Описаны основные типы несоизмеримых магнитных структур, а также сложное магнитное упорядочение в редкоземельных металлах. Введены макроскопические параметры термоэлектрическогоохлаждения.Показанасвязьмеждумакроскопическимимикроскопическими параметрами термоэлектриков.
Разобрана концепцияФСЭК («фононное стекло – электронный кристалл»). Описаны структурные итермоэлектрические параметры наполненных скуттерудитов.Во второй главе изложены используемые в данной работе методы исследования. В первом разделе описаны принцип работы и основные узлы экспериментальной установки ядерного резонанса. В приложении дана функциональная схема установки.В следующем разделе данной главы приводится краткое описание метода теории функционала плотности (ТФП, DFT) [1].
Формулируется лемма Хоэнберга-Кона, выводятся уравнения Кона-Шема. Рассматриваются основныеприближениявреализацииданногометода:приближенияобменно-корреляционного функционала (LDA, GGA); базис одночастичных волновыхфункций в виде присоединенных плоских волн (APW) и линеаризованных присоединенных плоских волн (LAPW). Особое внимание уделяется особенностямприменения данного метода в ab-initio расчетах кристаллических структур.Приводится описание программы Wien2k [2]: основные особенности, возможности, составные части.5Третья глава посвящена сравнительному изучению несоизмеримыхмагнетиков LiCu2O2 и NaCu2O2.
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}
