Спиновые фазовые переходы в наноразмерных структурах переходных металлов, индуцированные сильным магнитным полем (1104880)
Текст из файла
Работа выполнена на кафедре общей физики и магнитоупорядоченных средфизического факультета Московского государственного университета им.М.В. ЛомоносоваМосковский государственный университетимени М.В. ЛомоносоваФизический факультетНаучные руководителидоктор физико-математических наук,профессор А.К. ЗвездинНа правах рукописидоктор физико-математических наук,в.н.с.
А.М. .ТишинОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор А.И. Поповкандидат физико-математических наук,ассистент. А.П. ПятаковВедущая организацияИнститут кристаллографии им.А.В. ШубниковаМИЩЕНКО Александр СергеевичСПИНОВЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В НАНОРАЗМЕРНЫХЗащита состоится“16“ февраля 2006 года в 15:30 часов на заседаниидиссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственномуниверситете им.
М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинскиегоры, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА.СТРУКТУРАХ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ, ИНДУЦИРОВАННЫЕСИЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим. М. В. Ломоносова.Автореферат разослан “”Ученый секретарьдиссертационного совета К 501.001.02,кандидат физико-математических наук200АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукгода.И. А. НиканороваМосква, 2005Общая характеристика работыАктуальность проблемыВ последнее время наноразмерные магнитныематериалы привлекают значительный интерес как сфундаментальной, так и с практической точек зрения.Действительно, так называемые мезоскопические молекулыили молекулярные магниты являются связующим звеноммежду объектами с сильно выраженными квантовымисвойствами и объектами, которые можно описатьклассическими методами.
Примером является квантовоетуннелирование молекулы Mn12Ac из одного магнитногосостояния в другое, сопровождающееся характернымиступеньками на зависимости намагниченности от магнитногополя. Наличие нескольких квантовых состояний, которыеможно фиксировать при определенных условиях и переходымежду которыми можно индуцировать приложениемопределенногомагнитногополя,открываетновыевозможности для построения так называемых «квантовыхкомпьютеров».Настоящая диссертация посвящена исследованиюмагнитоиндуцированных фазовых переходов в наноразмерныхматериалах. Объектами исследования являются молекулярныемагниты Fe30, Mn12Ac, наноразмерный комплекс Co, а такжеметалличестий Ce, на котором была опробирована модель наоснове гамильтониана Андерсона с учетом взаимодействияФаликова-Кимбала при конечных температурах и магнитныхполях.Положения, выносимые на защиту:1. Теоретическоеисследованиеспиновыхфазовыхпереходов в молекулярных магнитах методом мультипольногоразложения:- обнаружен первый объект, магнитное состояние которогохарактеризуется октупольным магнитным моментом высокосимметричная молекула Fe30;- аномальное поведение компонент октупольного моментамолекулы Fe30, критические значения магнитных полей.2.
Теория спиновых фазовых переходов, индуцированныхсильным магнитным полем в широком интервале температур вматериалах с нестабильной валентностью на основегамильтониана Андерсона с учетом взаимодействияФаликова - Кимбала на примере α – γ перехода вметаллическом Се, в том числе:- зависимость числа магнитных электронов на один ион Ceот магнитного поля и температуры, влияние на переходвеличины гибридизационного параметра;- зависимость намагниченности от магнитного поля итемпературы, величина скачка намагниченности при фазовомпереходе;- фазовая диаграмма металлического Се в переменныхмагнитное поле – температура.3. Теория спиновых фазовых переходов в наноразмерномкомплексе Со в рамках модели свободных магнитныхмоментов.- значения критических магнитных полей перехода притемпературе T = 4.2 K для комплексов с различными типамилигандов;- зависимость намагниченности от магнитного поля приразличных температурах для систем с различными лигандами;- величина скачков намагниченности комплекса Со дляразличного типа лигандов, предварительная рекомендация кпроведению эксперимента в мегагауссных полях.4.
Модель спинового фазового перехода в комплексе Со,построенная на микроскопической теории. За основу взятАндерсоновский гамильтониан примесной модели метала сучетом фактора Франка – Кондона:- критическое значение магнитного поля индуцированногомагнитным полем фазового перехода для T = 4.2 К;- сопоставление результатов микроскопической теории итеории на основе свободных магнитных моментов,окончательная рекомендация к осуществлению мегагауссногоэксперимента на комплексе Со.5. Интерпретацияполученныхэкспериментальныхрезультатов по комплексу Co, в том числе:- модификация модели свободных магнитных моментовдля учета особенностей комплексов Со, фактическииспользуемых в экспериментах;- оценкавеличиныскачкаэнтропиипримагнитоиндуцированном фазовом переходе в комплексе,изменения энергии основного состояния высокоспиновой инизкоспиновой фаз.6.
Разработка теоретических основ рабочего теламагнитного рефрижератора на основе высокоспиновыхмолекулярных магнитов Mn12Ac:- оценка величины скачка энтропии при измененииприложенного магнитного поля,- оценка перспективности новых мезоскопическихмагнитных материалов с большим значением спина,- сравнение классической и квантовой моделейвычисления магнитных и магнитотепловых свойств молекул сбольшим спином.Магнитный остов молекулы составляют 30 ионов Fe3+,находящиеся в вершинах икосидодекаэдра (см.
рис. 1). Всевершины икосидодекаэдра можно покрасить в три разныхцвета так, чтобы ни одна пара ближайших соседей не имелаодинаковый цвет (т.н. трехцветность икосидодекаэдра).Физически это можно интерпретировать компланарностьювсех 30 спинов Fe3+ и возможностью разбить их на 10 групп по3 спина, находящихся под углом 120o друг к другу (см. рис. 2).Таким образом, задача о распределении спиновой плотностипо молекуле во внешнем магнитном поле сводится крассмотрениюсистемыиз3антиферромагнитновзаимодействующих спинов.Структура работыРабота состоит из введения, 4х глав, приложения,выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на134 страницах и включает 42 рисунка. Список цитируемойлитературы включает 81 источник.Литературный обзор приведен в Главе 1.
В нем описаныосновные характеристики наноразмерных материалов, а такжематериалов с переходной валентностью, используемые врассчетах и дальнейшем изложении.Далее по тексту в этом параграфе автореферата вкратцедан обзор оригнальных результатов, лежащих в основе даннойдиссертации.В Главе 2 проведено исследование молекулярногомагнита Fe30 методом мультипольного разложения.Рис. 1. 30 ионов Fe3+ молекулыMo72Fe30 находяся в вершинахикосидодекаэдра, составленногоиз 20 треугольников и 12пятиугольников.Рис. 2. Схематичное изображениемолекулыFe30.Кругамиобозначены магнитные ионы Fe3+.Три возможных направленияспинаобозначеныкрасным,синим и зеленым цветами.Как показывают вычисления, первым магнитныммоментом молекулы с отличными от нуля компонентамиявляется октупольный момент. Таким образом, Fe30 видимоявляется самым симметричным магнитным объектом,синтезированным на настоящий момент.
Выражение дляоктупольного магнитного момента имеет вид:(M 3 )αβγ = 3µ B ∑ g i siα riβ riγ ,(1)iгде {α, β, γ } = 1..3 (таким образом, октупольный момент имеет9 компонент, однако не все из них являются независимымидруг от друга), µB – магнетон Бора, i – номер спина в молекуле,gi – фактор Ланде для i-го спина, siα – соответствующаякомпонента i-го спина, riβ – соответствующая компонентарадиус – вектора i-го спина.Распределение спиновой плотности в молекуле Fe30было найдено исходя из (а) «трехцветности» икосидодекаэдра,в вершинах которой находятся ионы Fe3+ и (б)Гайзенберговскогогамильтонианадляописаниявзаимодействия между соседствующими ионами Fe3+. Былоприведено общее решение соответствующего гамильтонианаво внешнем магнитном поле, а также рассмотрен ряд частныхслучаев: магнитное поле направлено перпендикулярноплоскости спинов (угол отклонения спинов от плоскости поляθ⊥, рис.
3, a), магнитное поле сонаправлено с одним из спинов(угол отклонения двух других спинов от положенияРис. 3. Двеизравновесия при отсутствии поля - θ ||) и магнитное поленаправлено противоположно одному из спинов (рис. 4). Впоследнем случае процесс намагничивания описывается двумяпараметрами, зависящими от магнитного поля - θa и θ b. Нижеприведена зависимость указанных параметров от магнитногополя, вычисленная из Гайзенберговского гамильтониана длятрех антиферромагитно взаимодействующих спинов:θ ⊥ (β ) =π2β , θ||,b (β ) = arcsinθ a (β ) = arcsinβ −1 π2+β +1 π6,(2)− ,26где безразмерное магнитное поле β = gµBB/2JS изменяется от 0до насыщения β = 3, µB – магнетон Бора, J – обменныйрассмотренныхгеометрий полного намагничиванияrмолекулы Fe30: (a) поле B перпендикулярно плоскости, параллельнойспинам и (b) поле сонаправлено с одним из спинов.Безразмерное магнитное поле βРис.
5. Характерные зависимости компонент октупольного момента отмагнитного момента в случае в поле, направленном противоположноодному из спинов. В магнитном поле β = 1 наблюдается скачокнекоторых компонент октупольного момента при плавном поведениидипольного момента.Рис. 4. Рассмотренный процесс полного намагничивания с учетомпереворота одного из спинов (S1 в данном случае).интеграл, S = 5/2 – спин иона Fe3+. Обратите внимание, чтовторая формула описывает два параметра - θ||(β) и θ b(β).Интересным результатом моделирования являетсяаномальное поведение некоторых компонент октупольногомомента (M212, M231 на рис. 5) при непрерывном линейномросте намагниченности молекулы вплоть до насыщения.
Дляизмерения величин компонент октупольного моментанеобходимо магнитное поле октупольной симметрии.Взаимодействие октупольного момента с полем описываетсясоотношением W = −(1 6 )(M 3 )αβγ Bγβα , где Bγβα = ∇ γ ∇ β Bα ииспользуетсяДекартовасистемакоординат,∇γи∇ β - операторы Лапласа для пространственных производныхи Bα - соответствующая компонента внешнего магнитногополя.Обоснованность применению классической моделиантиферромагнитновзаимодействующихмагнитныхмоментов, что вообще говоря является побочным результатомисследования магнитокалорических свойств молекулыMn12Ac, обсуждается в приложении текста диссертации.ВГлаве3диссертациипостроенатеориямагнитоиндуцированного спинового фазового перехода вметаллическом Ce при нулевой и конечной температурах.Модель основана на гамильтониане Андерсона с учетомвзаимодействия Фаликова – Кимбала.
Никаких подгоночныхпараметров использовано не было. Металлический Ce являетсяудобным объектом для разработки метода изучения спиновыхфазовых переходов в наноразмерных объектах, что связано состроением его зонной структуры (α-Ce – на рис. 6, а и γ – Ce –на рис. 6, b). Все параметры зонной структуры взяты изWe = 2.72 eV,литературы,ихвеличинысоставляютWh = 5.44 eV, ∆ = 0.118 eV, G = 0.44 eV, Γ = 30-60 meV,U = 6-7 eV.Структураα-Ceсодержитэлектроныпроводимости гибридизованных Блоховских состояний s - иd – типа (I-band на рис.
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}
