Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Исследования последних лет в области магнетизма в значительной мере концентрируются на изучении магнитных систем пониженной размерности, что обуславливается как принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. Уникальность подобных систем определяется способностью исследователей контролировать и изменять магнитные взаимодействия на атомном масштабе.
В последние годы достигнут значительный прогресс в понимании проблемы фазовых переходов и критических явлений. Тем не менее, их количественное описание в различных решеточных спиновых системах до сих пор остается одной из центральных задач современной теории конденсированного состояния. Фазовые переходы и критические явления в нанокристаллах интенсивно исследуются методами численного моделирования, так как экспериментальное исследование этих явлений очень трудоемко и не всегда возможно, а строгое исследование на основе микроскопических гамильтонианов задача чрезвычайно сложная и зачастую невыполнимая. Далее возникла необходимость модификации моделей первого приближения: введение дальнего и многочастичного взаимодействия, учет примесей и др. Детальная информация о магнитной структуре и свойствах одномерных и квазиодномерных систем (конечного размера) может быть получена при использовании компьютерного моделирования. При этом удается исследовать не только начальное и конечное состояние материала, но и динамику процесса в зависимости от температуры, магнитного поля и других факторов. Компьютерное исследование критических явлений в одномерных системах также актуально в связи со сложностью экспериментального достижения окрестностей критической точки в особенности для одномерных или квазиодномерных систем. Фазовые переходы в таких одномерных системах (как и квантовые фазовые переходы) наблюдаются только при T=0 (строго говоря, для бесконечной системы), хотя их влияние на свойства вещества простирается и на область конечных температур. Для систем конечного размера при изменении параметров наблюдаются преобразования, которые можно трактовать как размытые фазовые переходы.
Таким образом, объект исследования – размытый фазовый переход в одномерной магнитной цепочке в рамках обобщенной модели Изинга в зависимости от внешних и внутренних параметров.
Предметом исследования настоящей работы являются фазовые диаграммы и критические свойства наноразмерных одномерных изинговских магнетиков.
Целью настоящей работы является исследование диаграмм состояний при конечной температуре и анализ изменения критических свойств наноразмерных одномерных изинговских ферромагнетиков. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка моделей построения фазовых диаграмм состояния при конечной температуре и исследование влияния температуры и размеров системы на фазовые диаграммы одномерных изинговских магнетиков с различными параметрами обменного взаимодействия;
анализ влияния изменения физических свойств конденсированных веществ на скорость фазового перехода антиферромагнетикферромагнетик и критические индексы в зависимости от внешнего магнитного поля, межспинового взаимодействия и размеров системы;
установление применимости гипотез статического и динамического скейлинга в рамках обобщенной модели Изинга конечных размеров и исследование воздействия немагнитных атомов и параметров системы на размерность фрактального одномерного кластера.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые изучены фазовые диаграммы перехода антиферромагнетикферромагнетик в изинговском одномерном малом магнетике. Проанализирована связь фазовых диаграмм с диаграммами основных состояний, выявлено образование переходных областей у систем, состоящих более чем из 10 узлов и замедление в перестройке магнитной фазы при увеличении внешнего магнитного поля. Рассчитаны динамические и статические критические индексы магнетика (в том числе индекс теплоемкости) в новых областях изменения энергетических параметров и на их основе проверены гипотезы скейлинга. Доказана неприменимость данных гипотез для магнитных систем малых размеров. Показано, что происходящие в одномерном изинговском магнетике неравновесные процессы целесообразно разделить на два типа: быстрые и медленные, которые по скорости отличаются в десятки тысячи раз. Разработан алгоритм и проведены вычисления фрактальной размерности одномерного магнетика, содержащего немагнитные атомы. Выявлены факторы, приводящие к уменьшению фрактальной размерности системы: увеличение температуры, уменьшение взаимодействия неближайших соседей, введение в систему немагнитных атомов.
Научно-практическая значимость диссертационной работы состоит в развитии представлений о критических явлениях в низкоразмерных магнитных изинговских наносистемах. Разработаны новые методики изучения фазовых диаграмм (учтено влияние взаимодействия в третьей координационной сфере и четырехчастичного взаимодействия, а также немагнитных примесей) и фрактальной размерности. Полученные результаты могут использоваться при трактовке физических процессов в квазиодномерных кристаллах с точки зрения критических явлений и физической кинетики, например, для систем – RbCoCl3, CsCoCl3, NaTiSi2O6 и др. Рассчитанные фазовые диаграммы дают теоретическую основу для исследований поведения низкоразмерных систем в условиях изменяющегося внешнего магнитного поля. Разработаны и зарегистрированы программы для ЭВМ, которые могут быть использованы при исследовании одномерных магнетиков.
Положения, выносимые на защиту:
-
Температура оказывает существенное влияние на стабильность магнитных фаз, возникают новые типы магнитных превращений и нарушается «зеркальность» фаз относительно изменения знака внешнего магнитного поля (наблюдаются гистерезисные явления). Метод построения фазовых диаграмм при конечных температурах позволяет выявить метастабильные фазы, отсутствующие на диаграммах основных состояний.
-
Увеличение напряженности внешнего магнитного поля ослабляет зависимость времени релаксации как от размеров системы, так и от температуры. Значения критического индекса теплоемкости говорят об аномально быстром обращении теплоемкости в ноль при уменьшении температуры. Для одномерных систем конечного размера гипотеза скейлинга не выполняется.
-
Наличие в системе дефектов (немагнитных примесей) при низких температурах существенно ускоряет фазовый переход антиферромагнетикферромагнетик. Магнитный кластер при увеличении температуры проявляет свойства фрактала. Наличие в системе немагнитных атомов приводит к разрыхлению структуры магнитного кластера.
Достоверность полученных результатов определяется использованием, в качестве базовой, классической модели Изинга, применением апробированных и хорошо проявивших себя методов компьютерной физики, надежных численных алгоритмов и программ, обоснованном выбором метода Монте-Карло в качестве метода исследования, анализом полученных в работе данных и сопоставлением с экспериментальными данными, данными других авторов, их согласованность с фундаментальными положениями физики конденсированного состояния.
Личный вклад автора состоит в участии в постановке задач исследования, разработке алгоритмов и программ, в проведении компьютерных экспериментов и численных расчетов, обсуждении и формулировке основных положений и выводов диссертации.
Апробация работы. Результаты диссертации доложены и обсуждены на «Республиканских Катановских чтениях» (2007–2013 гг., г. Абакан), на IV Всероссийской конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (2008 г., г. Томск), на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (2008 г., г. Новокузнецк), на Республиканском конкурсе научно-исследовательских работ студентов ВУЗов по направлению «Естественные науки» в 2009 г., г. Абакан, на VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (2009 г., г. Томск), на XII, XIII и XV Всероссийском семинаре Моделирование неравновесных систем (2009-2012, г. Красноярск), на Х международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (2010 г., г. Санкт-Петербург), на Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (2011 г., г. Томск), на семинаре Моделирование физических свойств неупорядоченных систем: самоорганизация, критические и перколяционные явления (2011 г., г. Астрахань), на XIX и XX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (2012–2013 гг., г. Москва), на VIII Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (2012г., г. Томск), на VI Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем» (2012 г., г. Пенза), на Всероссийском молодежном конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области физических наук (2012 г., г. Москва), на XIII Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (2012 г., г. Екатеринбург)
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» и п.5 «Разработка математических моделей построения фазовых диаграмм состояния и прогнозирование изменения физических свойств конденсированных веществ в зависимости от внешних условий их нахождения» паспорта специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния» (физико-математические науки).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 научная работа, из которых: 2 статьи в периодических изданиях по списку ВАК, 1 статья в научном журнале, 2 зарегистрированные программы в реестре программ для ЭВМ, 1 статья депонирована в ВИНИТИ, 1 коллективная монография, 9 работ в трудах Международных конференций, 11 работ в трудах Всероссийских конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 108 страницах и состоит из введения, 3 глав, библиографического списка из 151 наименования, содержит 48 иллюстрации и 1 таблицу.
