Магнетизм сильно коррелированных систем Ирхин, Валентин Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темь'. В настоящее время физика сильно коррелированны! систем является бурно развивающейся областью физики твердого тела. Новый мощный импульс вта тематика получила в связи с исследованием систем с тяжелыми фермионаии и открытием высокотемпературных сверхпроводников. Последние в ряда случаев проявляют антиферромагнетизм; спиновые корреляции, по-видимому, играют важную роль в механизме высокотемпературной сверхпроводимости.. Как выяснилось в последний года, для аномальных редкоземельных и актинидных соединений (решеток Кондо,' систем о тякелыми фермиснами, соединений с' промежуточной валентностью) также весьма распространенным является магнитное упорядочение, причем свойства упорядоченного состояния достаточно необычны из-оа сильных ыноговлектронннх перенормировок. Интерес к аномальным І-магнетикам обусловлен обширными практическими применениями постоянных магнитов, например, на основе урана.

Учет межэлектронных корреляций, по-видимому, важен для понимат ния свойогв и менэа "екзотических" соединений переходных металлов^ Так, в последнее время интенсивно исследуется новый класс проводящих ферромагнетиков - так называемые лолуметаллические ферромагнетики, где уровень Ферми находится в пели для ларцивльнои плотности состояний а одной из проекций спина (сада относятся, например, гейслеровы сплавы NiMnSb. PtUnSb). Эти материалы представляют большой практический интерес в связи о их уникальными магните-, оптическими свойствами, а также в связи с проблемой получения максимального магнитного момента насыщения.

Обсуждение магнетизма втих столь различных систем как правило проводится в ралгках полуфеноменологической теории спиновых флуктуации, а основное состояние рассматривается в рамках подхода отоне-ровского типа или берется из зонных расчетов. В то же время известно, что сильные межэлектронные корреляции приводят к существенным расхождениям о зонноЯ теорией, обусловленным перестройкой основного состояния (формирование хаббэрдовокш подзон в системах с сильными кулоновскими корреляциями, резонансного пика Абр*»ко-сова-Сула в кондовских системах и т.д.). Таким образом, детелшэо понимание магнетизма в силі но коррелированных системах к настоящему времени не достигнуто.

Цель работы. Основная цель работы состояла в теоретическом описании в рамках многоёлектронных моделей формирования кагнитноіч упорядочения и магнитных свойств различных типов соединений t

СИЛЬНОЙ МежвЛектроННОЙ Корреляцией И ВЫЯВЛеНИИ ОбЩИХ Чврт М8ГНИТО-

упорядоченного состояни.' Конкретно решались оледущие задачи:

1. Развитие последовательной микроскопической спин-волновой теории проводящих ферро- и антиферромвгнетиков в рамках s-d(r) обменно* модели и модели Хаббарда и вычисление вклада носителей тока і спиновых возбуждений в '*х внергегачеекий спектр и термодинамические свойства.

2. Теоретическое исследование електронних корреляций в полуметаллических ферромагнетиках.

3. Описание магнитных свойств ферромагнетиков с сильными г ^бардовскими корреляциями и локальными моментами.

4. Построение теории магнитного состояния решеток Ковдр.

5. Исследование електронного энергетического спектра двумерны* проводящих антиферромагнетиков при низких, но конечных температурах.

№учная новизна диссертации определяется следующими основными положениями, которые выносятся на защиту.

1. В рамках единого подходе в модели Хаббарда и e-d(f) модели
исследованы температурные зависимости электронного и спин-
волнового спектра проводящих ферро- и антиферромвгнетиков как с
использованием теории возмутеяий по межелектронному взаимодейст
вию, так и в пределе сильных корреляций.

Вычислены логарифмические поправки кондовского типа к энергии спиновых возбуядс.іИй, намагниченности и термодинамическим свойствам проводящих магнетиков.

2. Исследован вклад неквазичастичных состояний в електронний
спектр и термодинамические свойства полуметаллических ферромагне
тиков. Найден не описывающийся теорией ферми-жидкости линейный пс
температуре вклад в теллоеа..ость, который может доминировать в
хаббардовском ферромагнетике с гаполнением зоны, близким к поло
винному. Дано объяснение аномалий температурной зависимости
чаототы релаксации ЯМР в JfilfriSb и Un.N.

3. Получен перех~ц по концентрации носителей тока от насыщенного ферромагнетизма к ненасыщенному и дан вывод закона Кюри-Вр^сса для парамагнитной восприимчивости в модели. Хаббарда о сильными корреляциями. Найдены концентрационные зависимости постоянной епинопой' жесткости, намагниченности насыщения, парамагнитной и ферромагнитной температуры Кюри. Показано, что подхода стонеровского типа (например, приближение - Канамори) не дают адекввтного описания таких систем. Конкретно, разложение по числам заполнения носителей тока дает расходящиеся при V -* » вклады в энергию основного состояния, в то время как использование формализма многовлэктронных операторов позволяет устранить этот дефект.

4. Исследовано влектрон-магноннов взаимодействие в неупорядоченных проводящих антиферромагнетиках. Изучено влияние беспорядка на спин-волновое затухание. Найден вклад интерференции влектрон-магнонЕого и примесного рассеяния в проводимость при низких температурах.

5. Рассмотрено влияние спиновой динамики на проявления аффекта Кондо в периодических г-системах. В частности, вычислены кондов-ские вклады в сопротивление, териоэдо, парамагнитную восприимчивость, аффективное обменное взаимодействие и чвототу спиновых флуктуации. Исследованы вклада кондовского типа в электронную собственную енергию в ферро- и антифедрсмагнитной фазе. Предложена самосогласованная картина формирования магнитного состояния- с существенно подавленным моментом ' насыщения в решетках Кондо. Проанализированы магнитные решения в приближении среднего поля для s-г обменной модели, основанном на картине гибридизации влектронов проводимости с псевдофермионамн, соответствующими локализованным спинам.

6. В рамках обобщенной модели Андерсона с сильными корреляциями вычислен энергетический спектр полупроводника о промежуточн валентностью в магнитном поле и дано описание наблюдвемого в YbB₁₂ перехода полупроводник-металл по полю. Рассмотрены аномалия нейтронного рассеявяя в системах с таким спектром.

7- Проанализирован электронный энергетически! спектр двумерного квантового антиферромвгнетика при конечных температурах и продемонстрирована определяющая для него роль ближнего магнитного порядка. Рассмотрены проявления вффекта Кондо в этой ситуациии.

Достоверность результатов"диссертации обеспечивается их ооглааиви с имеющимися експериментальними данными, использованием контроля-руеыых процедур расчета (например, использованием квазикласоичео-кого разложения в a-d(f) модели), а также совпадением с известными строгими результатами и результатами для некоторых часінні случаев, хорошо исследованных к настоящему времени (например, для слабых зонных магнетиков, ферромагнитных полупроводников).

Научная и практическая ценность. Результаты проведенных в работа теоретических исследований позволяют существенно углубить понимание природы магнетизма и особенностей магнитных свойств широкого круга d- и 1 -металлов и их соединений, в которых важную роль' играют корреляцкэнные аффекты. В частности, рассмотрение термодинамических свойств в главе 1 позволяет описать вклады спиновых флуктуации в электронную теплоемкость и решеточные свойства сильных зонных магнетиков. Анализ особенностей овойотв палуметалдичос-т ких ферромагнетиков, обусловленных их электронной структурой (глава 2), дает удобный експериментальний критерий реализации полуыетвллшеского состояния (аномалии скорости продольной ядерной релаксации). Результаты главы 3 дают простой и физически эг чадный вывод закона Кюри-Вейсса для хаСбардоьского ферромагнетика о сильными корреляциями и локальними моментами. Рассмотрение в главе 5 позволяет понять качественную каралну формирования магнитного упорядочения в реветках Кондо (и, следовательно, в широком круге редкоземельных и актинидных соединений с аномальными електронними свойствами) и объяснить его особенности (в частности, иалуч величину магнитного цемента). Наконец, в главе 7 предложен удобный, способ рассмотрения олоктрошшх и магнитных свойств двумерных антиферромагнетиков, которые обладают дальним порядком лишь в основном состоянии.' К числу методических достижений работы относится развиуне теории возмущений по фшуктуируыдей части гамильтд-. ниаяа в рамках формализма даухвремешшх функций Грина как в случав слабого мешалектрояного взаимодействия, так и в пределе . сильны* корреляций в представлении многоэлектронных операторов Хаббарда.

Апробация работы, материалы диссертации докладывались на 18^й и 19* Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Калинин, 1980; Ташкент, 1991), на Всесоюзных семинарах по опинобым волнам

(Ленинград, 1988 1990), на Всесоюзных школах физиков-теоретиков "Коуровка" (Свердловск, 1986, 1992)', не 4^й Всесоюзной кон. іреш^ил по физике и хими. редкоземельных полупроводников (Новосибирск, 1987), на Мекдунпродных конференциях по магнетизму (Париж. 19СЗ; Эдинбург, 1^91). по физике переходных металлов (Киев, 1988), по физике сильно коррелированных систем (Санта-Фе, 1989) и по валентным флуктуєциям (Рло де Жанейро, 1990).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 20 статьях, список которых приведен в конце автореферата, а также в теяисах докладов конференции.

Стгуктура н объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитированной литературы, который включает 231 осылку. Работа содержит 246 страниц текста и 7 рисунков.