WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА Физический Факультет

На правах рукописи

Охотников Кирилл Сергеевич МАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИЛЬНО КОРРЕЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ 3d ЭЛЕМЕНТОВ Специальность 01.04.09 — физика низких температур

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук, Гиппиус Андрей Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Смирнов Александр Иванович доктор физико-математических наук, Попова Марина Николаевна

Ведущая организация: Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН

Защита состоится « 21 » _мая_ 2009 года в _17_:_00_ на заседании диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « 20 » апреля 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.70 доктор физико-математических наук, профессор Г.С. Плотников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Магнитные системы различной размерности с сильной межспиновой корреляцией привлекают в последнее время значительное внимание. В результате фрустрированного магнитного взаимодействия в этих системах возможно образование уникальных несоизмеримых спин-модулированных структур спирального типа, причем механизм формирования основного состояния в таких соединениях до сих пор не изучен.

Несмотря на интенсивные теоретические и экспериментальные исследования проблема спинового упорядочения во фрустрированных квантовых спиновых цепочках остается открытой. Интерес к таким системам обусловлен теоретическими предсказаниями существования сложной фазовой диаграммы и новых магнитных свойств, возникающих из-за интенсивного взаимодействия геометрической фрустрации и квантовых флуктуаций в низкоразмерных системах. Большое внимание уделяется исследованию различных купратов, имеющих такие элементы структуры, как квадраты CuO4, связанные по общему углу или общей грани. В последнем случае формируются CuO2 цепочки с углом связи Cu-O-Cu близким к 90°, что приводит к уменьшению ферромагнитного взаимодействия между ближайшими соседями, вызывая, в некоторых случаях, возникновение эффектов фрустрации.

Особый интерес представляют цепочки спинов с сильной внутрицепочечной фрустрацией, вызванной различием в знаках между ближайшим (NN) и следующим за ближайшим (NNN) обменными интегралами. Подобные системы экспериментально обнаружены только недавно в купратах ACuO2 с общими гранями с двухвалентными катионами A=[Li+Cu+], [Na+Cu+], [Li+V+5O2-2].

Ферромагнитное взаимодействие соседних атомов в таких купратах может быть сравнимо по порядку величины с антиферромагнитным взаимодействием соседних через одного атомов.

Недавно открытое несоизмеримое (НС) магнитное упорядочение с геликоидальной магнитной структурой при низких температурах в различных купратах с CuO2 цепочками является признаком сильной фрустрации в квантовых спиновых цепочках (s=), которые являются важным объектом современного квантового магнетизма. Некоторые из этих систем находятся вблизи квантовой критической точки, разделяющей ферромагнитное (ФМ) и спиральное внутрицепочечное упорядочение. Другим важным свойством данных систем, имеющим фундаментальное научное значение, является магнитоэлектрическое (multiferroic) поведение, обнаруженное в LiVCuO4 и LiCu2O2. Однако, сходных эффектов не наблюдалось в близких по структуре NaCu2O2 и Li2ZrCuO4. На сегодняшний день нет единого микроскопического объяснения свойств данных соединений, учитывающего симметрию и анизотропию обменных взаимодействий, а также релятивистские эффекты и эффекты, связанные с нестехиометричностью. В частности, в низкоразмерных соединениях с Li возможно межцепочечное замещение Li в позиции Cu и наоборот вследствие близости ионных радиусов Li+ и Cu2+. До сих пор неразрешенным вопросом остается эволюция несоизмеримой магнитной структуры в зависимости от величины и направления внешнего магнитного поля.

Купраты лития и натрия являются изоструктурными соединениями. При этом ионный радиус натрия (R(Na1+)=0.97 ) значительно превышает ионный радиус меди (R(Cu2+)=0.72 ), в то время как ионный радиус лития (R(Li1+)=0.68 ) сопоставим с ним. Вследствие этого происходит замещение меди в цепочках на литий в купрате лития, а в купрате натрия это замещение очень мало. Эта особенность проявляется в различии спектров ЯКР исследуемых купратов.

Важную роль в формировании основного состояния сложных соединений 3d-элементов играют электронные корреляции и спиновые флуктуации.

Коррелированные полупроводники и особенно Кондо-изоляторы (или тяжелофермионные полупроводники) являются подклассом Кондо-решеток, в которых решетка магнитных 3d- или 4f-ионов взаимодействует с электронами проводимости, образуя узкую гибридизационную щель на уровне Ферми. Признаки формирования такой щели обычно проявляются в изменении транспортных (сопротивление, термоэдс) и тепловых свойств. Убедительным экспериментальным свидетельством часто являются данные ЯМР и ЯКР, позволяющие обойти проблемы магнитной анизотропии и гранулярности поликристаллических образцов при определении величины щели. Формирование энергетической щели в этих узкозонных системах приводит к высокой плотности состояний вблизи уровня Ферми N(EF), что обуславливает экзотические низкотемпературные свойства, такие как гигантская термоэдс S(T). Рекордное значение |S| ~ 45 мВ/K при 10 К было недавно обнаружено в соединении FeSb2, которое характеризуется как сильно коррелированный узкозонный 3d-полупроводник.

Решению перечисленных вопросов и посвящена настоящая работа, а всё вышесказанное свидетельствует об актуальности её темы.

Целью работы являлось исследование несоизмеримых магнитных структур, фазовых переходов, а также обменных магнитных взаимодействий и спиновых флуктуаций в сильно коррелированных сложных оксидах и интерметаллидах 3d- элементов методом ядерного магнитного резонанса и ab-initio расчетов.

Методы исследования. Для практической реализации поставленных задач применялись методы спектроскопии ядерного резонанса. Для обработки результатов использовались возможности специализированного программного обеспечения. Расчеты выполнялись методом теории функционала плотности (ТФП) в программном пакете Wien2k.

Обоснованность и достоверность экспериментальных результатов определяется использованием современного оборудования и апробированных экспериментальных методик получения и обработки результатов, а также сопоставлением данных эксперимента с результатами работ других авторов, проведенных в условиях меньшего разрешения спектральных характеристик либо на родственных соединениях. Обоснованность и достоверность расчетов определяется использованием широко апробированных методов, а также сопоставлением с экспериментальными данными, как литературными, так и полученными в рамках работы над диссертацией.

Научная новизна результатов диссертации состоит в проведение экспериментального и теоретического изучения новых свойств низкоразмерных несоизмеримых магнетиков LiCu2O2 и NaCu2O2, наполненных скуттерудитов MFe4Sb12 (M= La, Ca, Na) и сильно коррелированных систем FeSb2 и RuSb2.

методами радиоспектроскопии и ab-initio расчетов. На основе анализа данных эксперимента и последующих расчетов получена дополнительная информация о свойствах этих объектов: качественное различие структуры магнитного упорядочения в LiCu2O2 и NaCu2O2; информация о направлении и величине смещения гостевого атома в наполненных скуттерудитах MFe4Sb12 (M= La, Ca);

уточнены параметры зонной структуры полупроводников FeSb2 и RuSb2.

Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты носят фундаментальный характер и представляют интерес для понимания природы и развития физики магнитных и сильно коррелированных систем, а также могут быть весьма полезны при синтезе новых термоэлектрических материалов с заданными свойствами и их практическом применении.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16-ти конференциях. По результатам диссертации опубликованы статьи в 4-x ведущих российских и международных журналах. Полный список конференций и публикаций приведен в конце диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 133 страницы текста, включая 50 рисунков, 8 таблиц. В диссертации использовано 97 литературных источников из них 84 иностранных.

Рисунки и таблицы для каждой главы пронумерованы отдельно. Заключение дано отдельно по каждой главе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена краткая характеристика диссертации: цели исследования, актуальность, обоснованность, научная новизна. Выписаны основные результаты работы и приведено краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава посвящена несоизмеримому упорядочению в магнетиках и теории термоэлектрического охлаждения. Описаны основные типы несоизмеримых магнитных структур, а также сложное магнитное упорядочение в редкоземельных металлах. Введены макроскопические параметры термоэлектрического охлаждения. Показана связь между макроскопическим и микроскопическими параметрами термоэлектриков. Разобрана концепция ФСЭК («фононное стекло – электронный кристалл»). Описаны структурные и термоэлектрические параметры наполненных скуттерудитов.

Во второй главе изложены используемые в данной работе методы исследования. В первом разделе описаны принцип работы и основные узлы экспериментальной установки ядерного резонанса. В приложении дана функциональная схема установки.

В следующем разделе данной главы приводится краткое описание метода теории функционала плотности (ТФП, DFT) [1]. Формулируется лемма Хоэнберга-Кона, выводятся уравнения Кона-Шема. Рассматриваются основные приближения в реализации данного метода: приближения обменнокорреляционного функционала (LDA, GGA); базис одночастичных волновых функций в виде присоединенных плоских волн (APW) и линеаризованных присоединенных плоских волн (LAPW). Особое внимание уделяется особенностям применения данного метода в ab-initio расчетах кристаллических структур.

Приводится описание программы Wien2k [2]: основные особенности, возможности, составные части.

Третья глава посвящена сравнительному изучению несоизмеримых магнетиков LiCu2O2 и NaCu2O2. В первом разделе данной главы собраны литературные данные по данным соединениям: кристаллическая структура, температурная зависимость теплоемкости и магнитной восприимчивости данных соединений, ab-initio расчеты, а также данные экспериментов по рассеянию нейтронов. Все литературные данные проанализированы с целью нахождения общих и различных параметров и свойств данных соединений.

Данные соединения изоструктурные и представляют собой низкоразмерные несоизмеримые магнетики с геликоидальной структурой упорядочения в цепочках Cu2+ вдоль оси b [3,4,5]. Структура данных соединений рассмотрена на примере LiCu2O(рис. 1). Кристаллическая структура имеет ромбическую симметрию (про странственная группа Pnma), ее можРис. 1. Структура цепочки Cu2+ (см. текст).

но представить как последовательное чередование вдоль оси c трех слоев:

1) –Cu1+(1)–, 2) –O(1)Cu2+(2)O(2)Li– и 3) –LiO(2)Cu2+(2)O(1)– Катионы Cu1+ вместе с ближайшими двумя атомами кислорода образуют O2—Cu1+–O2- гантели. Соседние слои –LiCu2+O2–LiCu2+O2– образуют сетку квадратных пирамид CuO5 и LiO5, соединенных общими ребрами оснований (рис. 1). Важной особенностью структуры является наличие в ней простирающихся вдоль оси b Cu–O-цепочек, образующих так называемые двухцепочечные лестничные структуры (two-leg ladder systems).

Формированиe несоизмеримой структуры в данных соединениях объясняется наличием ферромагнитного (ФМ) взаимодействия между магнитными моментами соседних атомов Cu2+ (NN) и антиферромагнитного взаимодействия между соседями через одного (NNN) [3]. Теоретические расчеты минимума энергии Гейзенберговского магнетика показывают, что при наличии сложного обменного взаимодействия, описанного выше, магнитные моменты упорядочиваются в несоизмеримую структуру с углом между соседними моментами, который определяется по формуле:

Jcos - (1) 4Jгде J1 – энергия взаимодействия между соседними атомами, J2 – взаимодействие через одного. По данным дифракции нейтронов для LiCu2O2 — = -J2 / J1 = 0.29, для NaCu2O2 = 0.55.

В данном разделе диссертации особо подчеркивается, что первые образцы LiCu2O2, выращенные методом кристаллизации из расплава, обладали двойникованием. Двойникование происходит в плоскости (ab) и связано с тем, что a = 2.0028 2. Новые образцы, выращенные методом зонной плавки, монодоb менные. В NaCu2O2 двойникования нет.

Все представленные литературные данные относятся к двойниковым образцам. В ЯМР исследованиях, выполненных в рамках диссертационной работы были использованы новые монодоменные образцы. Это позволило более детально провести анализ ЯМР эксперимента и открыть новые эффекты.

В следующем разделе приводится теория ЯМР в несоизмеримых системах [6]: определяется качественный вид ЯМР линий в случае модуляции внешнего поля локальным магнитным полем несоразмерной структуры и приводятся данные компьютерного моделирования. Показано, что данная линия будет иметь две особенности по краям и спад в середине. При наложении магнитного поля геликоидальная структура искажается, что приводит к изменению ЯМР спектров. Интенсивность особенностей края спектров становится различной.

После компьютерного моде5,9 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,лирования формы линии в разделе H || a приводятся данные ЯМР эксперимента в системе NaCu2O2: ТемпеNaCu2O1.8K ратурные зависимости ЯМР спекH || b тра в NaCu2O2 и ЯМР-спектр NaCu2O2 при температуре 1.8 K в трех различных ориентациях внешH || c 6,0 6,2 6,4 него магнитного поля (рис. 2). На H,T графике видно, что ЯМР спектр соРис. 2. ЯМР в NaCu2O2 в ориентации H||(a, b, c) стоит из трех дублетов. Появление (70.0 МГц) при температуре 1.8K.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»