Новые магнитные состояния в кристаллах

А.И.Смирнов

Институт физических проблем им. П. Л. Капицы РАН

МФТИ 3 марта 2006

1. Ферромагнетики и антиферромагнетики

T

2. Квантово-разупорядоченные основные состояния магнитных кристаллов Квазиодномерные, димерные и фрустрированные магнетики

3. фрустрированные магнетики?

Ферромагнетик КомпасТрансформаторУстройства памяти

Антиферромагнетик

=2a(293K)

Температурная зависимость восприимчивости антиферромагнетика

MnF2

Гейзенберговский обмен и проблема основного состояния антиферромагнетиков

H = Ji,i+1 SiS i+1

H = Ji,i+1 [SzjSz

j+1+1/2(S+jS-

j+1 + S-jS+ j+1 )]

S+i = Sx

i+iSyi S-

i= Sxi-iSy

i

Это – классическое основное состояние для J > 0

Но оно не является cобственным для гамильтониана

--

M i

НЕТ порядка в одномерных АФМ спиновых цепочках даже при T=0

Вклад спиновых волн в полную энергию и угол отклонения параметра порядка :

E ~ (grad k2knk

~ knk/k2 ~nk/k ~1/k

k = k

M ~

k

2dk ~

k

dk/k

T=0nk=1/2

0

-1/4

-3/4

-E/NJ

-ln2+1/4 (H.Bethe, 1931)

<S>=0z

=

Цепочка спинов S=1/2 (анзац Бете)

Осталось только создать одномерную цепочку спинов и провестиэксперимент

CuCl2 *2N(C5H5)

KCuF3

Восприимчивость спиновых цепочек (бензоат меди)

АНТИ

ФЕРРО

МАГН

ЕТИК

Нейтронный спектрометрNIST

n1

n2

Спиновое возбуждениеРеактор

Детектор

/J

Спектр цепочки спинов ½. С.Мешков 1993

Классическая цепочка

Теория (численный эксперимент)

2 E/J

ka

Спектр возбуждений в CuCl2 *2N(C5H5)

Endoh et al PRL1974

Эксперимент(рассеяние нейтронов)

Спектр возбуждений в KCuF3

D. Tennant et al 2000

Теория (численныйэксперимент)

Эксперимент (рассеяние нейтронов)

спиновые цепочки в кристаллах

J J

J- J J+ J

Димеризованые спиновые цепочки в кристалле

T

T<Sz>=0

Спин-пайерлсов-

ский переход

Щелевые и бесщелевые состояния спиновых цепочек S=1/2

GAPLESS

SPIN-GAP

<Sz>=0v

8

Восприимчивость спин-пайерлсовскогомагнетика

Hase et al PRL 1993

<S> = 0 z

~ 7

T

Халдейновские спиновые цепочки S=1

J

| g.s.> = 0000+ …

Спиновая щель: H = 0.41J

J

Structure and susceptibility of a Haldane magnet

Uchiyama et al PRL 1999

(Pb2+)

Димерные системы

Структура

Спектр возбуждений

Восприимчивость

Спиновая щель

Квантовые жидкости:a) Бесщелевые - цепочка спинов S=1/2b) 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=0

E

H

S=1, Sz=1

S=1, Sz=-1

S=1, Sz=0

Hc

TlCuCl3

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)

Spins envelope ~exp(-r/)

Спиновая вакансия

+ + + + + +- - - - --

Локальный АФМ порядок

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Распространения магнитного порядка на весь образец при перекрытии Областей локального порядка и за счет межцепочечного обмена

+

Спиновые кластеры и индуцированный примесями АФМ порядок

Индуцированный немагнитными примесями магнитный порядок (!!!???) в халдейновском и спин-пайерлсовском магнетиках

Uchiyama et al PRL 1999 Masuda et al PRL 1998

Cu(1-x)MgxGeO3

x =

26.3 GHz ESRCuGeO3+2.88% Mg

Сосуществование сигналов парамагнитного и антиферро-магнитного резонанса

Glazkov, Smirnov et al PRB 2002

M o d elin g o f th e in d u ced o rd er in g

Простое моделирование фазовогоразделения

Длина области локального порядка при конечной температуре: J S2 exp(-2L/) ~ kBT

Размер области локального порядка растет при понижении температуры и происходит перколяция

L oca l A F M a rea

S in g le c lu ster

A F M a reao f a m acrosco p icsize

R esid u a lo f th e sp in -ga pm atrix

M o d elin g o f th e in d u ced o rd erМоделирование упорядочения, стимулированного примесями

Glazkov et alPRB 2002

Острова порядка в море беспорядка

Перколяция порядка через море беспорядка

Теория (численный эксперимент) стимулированного примесями (!!!???)магнитного упорядочения в спин-щелевом магнетике

Yasuda et al PRB 2001

Фрустрированные магнитные системы: спины на треугольной решетке.

?

G ro u n d sta te sp in co n fig u ra tion on th e p la n a r tr ia n g u lar la ttice

S1

S2

S3

Сильно фрустрированный антиферромагнетик на решетке пирохлорного типа

ИНФОРМАТИКА

Матан

Англ.яз

ФИЗИКА

ФИЗКУЛЬТУРА

А может, на базу сходить?

ФРУСТРАЦИЯ В ЖИЗНИ

Фрустрированный магнетик:Спиновая жидкость при T=0 (!!!???)

T, K

Minimum energy at S=0

The rotation of spins at each hexagonby an arbitrary angle does not break the condition S=0 at each tetrahedron,with no change of the total energy

J>0

Macroscopic amount of degenerate states with minimum energy.

No order until low temperatures: T<< TCW

Фрустрированный магнетик:Энтропия, невымерзающая при абсолютном нуле (!!!???)

0 0.5 1 1.5H/Hsat

0

0.05

0.1

T/J

paramagnet pyrochlore

garnet

Теория

Магнитное охлаждение при низких температурах при адиабатическом размагничивании

H

charcoal cryopumpwith a heater

sample

thermometer

vacuum/exchange gas

Test for the degenerate modes by the Experiment on adiabatic demagnetization

Эксперимент:

В стадии выполнения

Quasi-adiabatic demagnetization

0

5

10

15

0 40 80 120H (kO e)

T (

K)

Overall heat leaks 310-7 Вт

Solid lines areMC-simulations

H || (111) plane

Sosin et al PRB 2005

Minimum energy at S=0

J>0

No order until low temperatures: T<< TCW

Temperature evolution of magnetic resonance lines

Sosin et al unpublished

Spin structures suggested for the ordered phase of Gd2Ti2O7

J.R. Stewart et al JPCM 2004

Выводы : !!!! ????

В некторых квазиодномерных и фрустрированных магнетиках магнитный порядок отсутствует вплоть до T=0.

В спин-щелевых спиновых жидкостях магнитная восприимчивостьобращается 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.

smirnov@kapitza.ras.ru Tel. 1370998http://www.kapitza.ras.ru/rgroups/esrgroup/Welcome.html

smirnov@kapitza.ras.ru

Tel. 1370998

http://www.kapitza.ras.ru/rgroups/esrgroup/Welcome.html