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 3. фрустрированные магнетики

Ферромагнетик Компас Трансформатор Устройства памяти Антиферромагнетик =2a(293K)

Температурная зависимость восприимчивости антиферромагнетика MnF 2

Гейзенберговский обмен и проблема основного состояния антиферромагнетиков H = J i,i+1 S i S i+1 H = J i,i+1 [S z j S z j+1 +1/2(S + j S - j+1 + S - j S + j+1 )] S + i = S x i +iS y i S - i = S x i -iS y i 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 Вклад спиновых волн в полную энергию и угол отклонения параметра порядка : E ~ (grad k 2 k n k ~ k n k /k 2 ~n k /k ~1/k k = k M ~ k 2 dk ~ k dk/k T=0 n k =1/2

0 -1/4 -3/4 -E/NJ -ln2+1/4 (H.Bethe, 1931) =0 z = Цепочка спинов S=1/2 (анзац Бете) Осталось только создать одномерную цепочку спинов и провести эксперимент

CuCl 2 *2N(C 5 H 5 ) KCuF 3

Восприимчивость спиновых цепочек (бензоат меди) АНТИФЕРРОМАГНЕТИК

Нейтронный спектрометр NIST n1 n2 Спиновое возбуждение Реактор Детектор

Спектр цепочки спинов ½. С.Мешков 1993 Классическая цепочка Теория (численный эксперимент)

Спектр возбуждений в CuCl 2 *2N(C 5 H 5 ) Endoh et al PRL1974 Эксперимент (рассеяние нейтронов)

Спектр возбуждений в KCuF 3 D. Tennant et al 2000 Теория (численный эксперимент) Эксперимент (рассеяние нейтронов )

спиновые цепочки в кристаллах Димеризованые спиновые цепочки в кристалле =0 Спин- пайерлсов- ский переход Щелевые и бесщелевые состояния спиновых цепочек S=1/2 GAPLESS SPIN-GAP =0 v 8

Восприимчивость спин-пайерлсовского магнетика Hase et al PRL 1993

= 0 z ~ 7 T Халдейновские спиновые цепочки S=1 J | g.s.> = … Спиновая щель: H =0.41J J

Structure and susceptibility of a Haldane magnet Uchiyama et al PRL 1999 (Pb 2+ )

Димерные системы Структура Спектр возбуждений Восприимчивость 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=0 E H S=1, S z =1 S=1, S z =-1 S=1, S z =0 HcHc TlCuCl3 Glazkov et al 2003

Индуцированный магнитным полем (!!??) антиферромагнитный порядок в TlCuCl 3

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 )

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) Mg x GeO3 x =

26.3 GHz ESR CuGeO % Mg Сосуществование сигналов парамагнитного и антиферро- магнитного резонанса Glazkov, Smirnov et al PRB 2002

Простое моделирование фазового разделения Длина области локального порядка при конечной температуре: J S 2 exp(-2L/ ) ~ k B T Размер области локального порядка растет при понижении температуры и происходит перколяция

Моделирование упорядочения, стимулированного примесями Glazkov et al PRB 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.

S1S1 S2S2 S3S3

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 hexagon by 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

Фрустрированный магнетик: Энтропия, невымерзающая при абсолютном нуле (!!!???) Теория Магнитное охлаждение при низких температурах при адиабатическом размагничивании

H charcoal cryopump with 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 Overall heat leaks Вт Solid lines are MC-simulations H || (111) plane Sosin et al PRB 2005

Minimum energy at S=0 J>0 No order until low temperatures: T

Temperature evolution of magnetic resonance lines Sosin et al unpublished

Spin structures suggested for the ordered phase of Gd 2 Ti 2 O 7 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 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

Tel