Новые магнитные состояния в кристаллах.
advertisement
Новые магнитные состояния в кристаллах А.И.Смирнов Институт физических проблем им. П. Л. Капицы РАН МФТИ 3 марта 2006 1. Ферромагнетики и антиферромагнетики 2. Квантово-разупорядоченные основные состояния магнитных кристаллов Квазиодномерные, димерные и фрустрированные магнетики T 3. фрустрированные магнетики ? Антиферромагнетик Ферромагнетик Компас Трансформатор Устройства памяти =2a(293K) Температурная зависимость восприимчивости антиферромагнетика MnF2 Гейзенберговский обмен и проблема основного состояния антиферромагнетиков H =S Ji,i+1 SiS i+1 H = Ji,i+1 S [SzjSzj+1+1/2(S+jS-j+1 + S-jS+ j+1 )] S+i = Sxi+iSyi S-i= Sxi-iSyi - Это – классическое основное состояние для J > 0 Но оно не является cобственным для гамильтониана НЕТ порядка в одномерных АФМ спиновых цепочках даже при T=0 Mi Вклад спиновых волн в полную энергию и угол отклонения параметра порядка : E ~ (grad Q)2~k2Q2 ~eknk Q2 ~ eknk/k2 ~nk/k ~1/k 2dk ~ dM ~ k dk/k k wk = ak T=0 nk=1/2 Цепочка спинов S=1/2 (анзац Бете) 0 -1/4 -ln2+1/4 (H.Bethe, 1931) <S>=0 z x= -3/4 -E/NJ Осталось только создать одномерную цепочку спинов и провести эксперимент CuCl2 *2N(C5H5) KCuF3 Восприимчивость спиновых цепочек (бензоат меди) Нейтронный спектрометр NIST Детектор n2 Реактор n1 Спиновое возбуждение e/J Теория (численный эксперимент) Классическая цепочка Спектр цепочки спинов ½. С.Мешков 1993 2E/J Эксперимент (рассеяние нейтронов) Спектр возбуждений в CuCl2 *2N(C5H5) ka Endoh et al PRL1974 Эксперимент (рассеяние нейтронов) e/J Теория (численный эксперимент) D. Tennant et al 2000 Спектр возбуждений в KCuF3 Щелевые и бесщелевые состояния спиновых цепочек S=1/2 спиновые цепочки в кристаллах J Димеризованые спиновые цепочки в кристалле Спинпайерлсовский переход a J J-dJ J+dJ T <Sz>=0 x= T <Sz>=0 x=v/D Восприимчивость спин-пайерлсовского магнетика Hase et al PRL 1993 Халдейновские спиновые цепочки S=1 | g.s.> = i0hihi0hihh0ihih0ihihihih <S> z = 0 +… x~ 7 DH= 0.41J Спиновая щель: T J J Structure and susceptibility of a Haldane magnet (Pb2+) Uchiyama et al PRL 1999 Димерные системы Восприимчивость Структура Спектр возбуждений Спиновая щель Квантовые жидкости: a) Бесщелевые - цепочка спинов S=1/2 b) Спин-щелевые – цепочка спинов S=1, димеризованная цепочка спинов S=1/2 димерные сетки Как все-таки перевести квантовую спиновую жидкость в упорядоченное состояние? Квантовые фазовые переходы Способ 1: закрыть спиновую щель сильным магнитным полем S=1, Sz=1 E TlCuCl3 S=1, Sz=0 S=0 S=1, Sz=-1 Hc H Glazkov et al 2003 Индуцированный магнитным полем (!!??) антиферромагнитный порядок в TlCuCl3 Как все-таки перевести квантовую спиновую жидкость в упорядоченное состояние? Квантовые фазовые переходы Способ 2: локально разрушить спин-щелевое состояние примесями Miyashita &Yamamoto PRB 1993 Теория (численный эксперимент) Спиновые кластеры и индуцированный примесями АФМ порядок - + - + - + - + Локальный АФМ порядок - + + - Спиновая вакансия Распространения магнитного порядка на весь образец при перекрытии Областей локального порядка и за счет межцепочечного обмена + + - - + + - + + - + - + - + - + - + + - + + - + + - - + - - Индуцированный немагнитными примесями магнитный порядок (!!!???) в халдейновском и спин-пайерлсовском магнетиках l m x= Cu(1-x)MgxGeO3 Uchiyama et al PRL 1999 Masuda et al PRL 1998 26.3 GHz ESR CuGeO3+2.88% Mg Сосуществование сигналов парамагнитного и антиферромагнитного резонанса Glazkov, Smirnov et al PRB 2002 Простое моделирование фазового разделения Длина области локального порядка при конечной температуре: J S2 exp(-2L/x) ~ kBT Размер области локального порядка растет при понижении температуры и происходит перколяция Modeling of the induced orderстимулированного примесями Моделирование упорядочения, Single cluster Local AFM area Острова порядка в море беспорядка Перколяция порядка через море беспорядка Residual of the spin-gap matrix AFM area of a macroscopic size Glazkov et al PRB 2002 Теория (численный эксперимент) стимулированного примесями (!!!???) магнитного упорядочения в спин-щелевом магнетике Yasuda et al PRB 2001 Фрустрированные магнитные системы: спины на треугольной решетке. ? Ground state spin configuration on the planar triangular lattice S1 S2 S3 Сильно фрустрированный антиферромагнетик на решетке пирохлорного типа ФИЗКУЛЬТУРА А может, на базу сходить? ИНФОРМАТИКА Матан ФИЗИКА Англ.яз ФРУСТРАЦИЯ В ЖИЗНИ Фрустрированный магнетик: Спиновая жидкость при T=0 (!!!???) T, K Macroscopic amount of degenerate states with minimum energy. J>0 Minimum energy at S=0 The rotation of spins at each hexagon by an arbitrary angle does not break the condition S=0 at each tetrahedron, with no change of the total energy No order until low temperatures: T<< TCW Фрустрированный магнетик: Энтропия, невымерзающая при абсолютном нуле (!!!???) Магнитное охлаждение при низких температурах при адиабатическом размагничивании Теория T /J 0 .1 0 .0 5 p y ro c h lo re p a ra m a g n e t g a rn e t 0 0 0 .5 H /H s a t 1 1 .5 Test for the degenerate modes by the Experiment on adiabatic demagnetization thermometer H sample charcoal cryopump with a heater vacuum/ exchange gas Эксперимент: В стадии выполнения Quasi-adiabatic demagnetization 15 H || (111) plane Overall heat leaks 310-7 Вт T (K) 10 5 0 Solid lines are MC-simulations 0 40 80 120 H (kOe) Sosin et al PRB 2005 J>0 Minimum energy at S=0 No order until low temperatures: T<< TCW Temperature evolution of magnetic resonance lines Sosin et al unpublished J.R. Stewart et al JPCM 2004 Spin structures suggested for the ordered phase of Gd2Ti2O7 Выводы : !!!! ???? В некторых квазиодномерных и фрустрированных магнетиках магнитный порядок отсутствует вплоть до T=0. В спин-щелевых спиновых жидкостях магнитная восприимчивость обращается в ноль при стремлении температуры к нулю. “Захлопывание” спиновой щели магнитным полем приводит к антиферромагнитному упорядочению. Беспорядочно расположенные примеси стимулируют магнитный порядок. Упорядоченная фаза неоднородна. Приходите к нам изучать экспериментально квантовые макроскопические эффекты в магнитных кристаллах. http://www.kapitza.ras.ru/rgroups/esrgroup/Welcome.html smirnov@kapitza.ras.ru Tel. 1370998 http://www.kapitza.ras.ru/rgroups/esrgroup/Welcome.html smirnov@kapitza.ras.ru Tel. 1370998
