Download - Новые магнитные состояния в кристаллах
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.
[email protected] Tel. 1370998http://www.kapitza.ras.ru/rgroups/esrgroup/Welcome.html