Введение к работе
Открытие, что все биологически значимые молекулы существуют только как один из двух возможных зеркальных изомеров (энантиомеров), является потрясающим примером полного нарушения киральной симметрии и уже несколько десятилетий интригует ученых неразрешенностью загадки. Гораздо реже, такое нарушение происходит при росте кристаллов. Обусловленное естественными механизмами, оно случается, когда физический или химический процесс, сам по себе не приводящий к преимуществу того или другого энантиомера, все же спонтанно производит большой избыток одного из двух энантиомеров: правого или левого. Трудно найти среди фундаментальных сил, такие которые были бы способны повлиять на киральность кристалла во время роста. Среди них можно назвать силу Кориолиса, обусловленную вращением Земли, или слабые взаимодействия. Однако, эти силы, действующие на кристалл во время роста, оказываются слишком маленькими по сравнению с температурой кристаллизации, и поэтому считается, что два энантиомера существуют с равной вероятностью, и неорганические процессы всегда производят смесь двух энантиомеров. Часто также предполагается, что если избыток одного из энантиомеров появляется в эксперименте, то это должно быть связано с методом роста кристалла с использованием зародыша, который и приводит к нарушению киральной симметрии. Тем не менее, даже в неорганических процессах полное 100% нарушение киральной симметрии может быть достигнуто при кристаллизации некоторых солей (например, хлорат натрия ИаСЮз), имеющих симметрию группы Р2іЗ [1]. При этом было показано, что нарушение киральной симметрии не связано с гипотезой о "зародыше", а определяется нелинейным автокаталитическим процессом. Таким образом, можно считать установленным, что для получения совершенно чистых киральных кристаллов совершенно необходим механизм существенно усиливающий изначально слабое, случайное или закономерное, неравновесие между двумя энантиомерами.
Спиновая киральность присуща материалам, в которых цепочки спинов образуют спираль, или винт. Обычно такие материалы рассматривались как вырожденные, не имеющие явного предпочтения ни для лево-, ни
для право- закрученных систем. Примером такой вырожденной системы может служить спиновая спираль в редкоземельных элементах: Но, Dy и др. Исключение представляет собой спиновая структура силицида марганца MnSi, в которой методом рассеяния поляризованных нейтронов была обнаружена лево-закрученная спиновая спираль, образующаяся ниже критической температуры Тс = 29 К. Оказалось, что образование спирали и единое направление вращения спинов, снятие вырождения по киральности, обусловлено взаимодействием Дзялошинского-Мория, которое возникает в нецентросимметричных кристаллах типа Р2іЗ. Связь кристаллографической структуры со спиновой киральностью была экспериментально установлена, но практически не изучена, что породило также некоторый миф о монокиральном образце MnSi.
Важная роль, которую метод рассеяния поляризованных нейтронов может играть при исследовании спиновой киральности, была осознана сравнительно недавно и обобщена в работе СВ. Малеева [2]. Дело в том, что поляризация нейтронов Р - это ^-нечетный аксиальный вектор, поскольку он не меняет знака при инверсии пространства, но меняет знак при инверсии времени. Сечение рассеяния нейтронов - это скаляр и не зависит от выбора системы координат, а значит, оно не может измениться при инверсии пространства и времени. Поэтому, если сечение рассеяния нейтронов зависит от их поляризации, то рассеивающая система должна характеризоваться каким-либо ^-нечетным аксиальным вектором. Примерами такого вектора является, например, намагниченность в ферромагнетиках, или, спиновый винт (спираль) в неколлинеарных структурах.
Иными словами, взаимодействие поляризованных нейтронов с объектом, характеризующимся аксиальным вектором спиновой спирали, приводит к появлению в сечении рассеяния нейтронов поляризационно зависящего, антисимметричного, относительно вектора рассеяния, вклада. Это позволяет легко выделять соответствующий вклад и изучать физические процессы таких киральных объектов. Пионерские работы в этой области были выполнены в начале 80-х годов прошлого века при исследовании критической динамики ферромагнетиков. В этих работах методом малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов было показано, что спиновые корреляции третьего
и более высоких порядков оказываются очень заметными в критической области температур вблизи Тс- Нечетные корреляционные функции, хотя и не дают вклада в статическую часть магнитной восприимчивости, тем не менее, дают вклад в динамическую восприимчивость. Самая низшая из нечетных, трехспиновая корреляционная функция, была введена СВ. Малеевым в [3] и впервые обнаружена А.И. Окороковым и соавторами [4] в экспериментах по рассеянию поляризованных нейтронов в железе с использованием специальной наклонной геометрии внешнего магнитного поля (Н наклонено по отношению к волновому вектору нейтрона ко). Было показано что трехчастичная корреляционная функция является динамическим объектом киральной природы, а для ее наблюдения может быть использован киральный канал в рассеянии поляризованных нейтронов. В этих исследованиях было экспериментально подтверждено правило слияния критических флуктуации, которое эквивалентно алгебре Полякова-Каданова-Вильсона [5].
Несколькими годами позднее метод наклонной геометрии магнитного поля при рассеянии поляризованных нейтронов был использован как способ измерения жесткости спиновых волн (поперечных спиновых возбуждений) в ферромагнетиках ниже Тс. В этом случае опять использовался киральный канал рассеяния нейтронов и измерялась лево- право- сторонняя асимметрия рассеяния. Метод был успешно применен для исследования спиновых волн в аморфных магнетиках [б].
Дальнейший прогресс в исследованиях спиновой киральности связан с работами X. Кавамура [7], который показал, что магнитные фазовые переходы в спиральных магнетиках и треугольных (неколлинеарных) антиферромагнетиках принадлежат к новому классу универсальности с характерными критическими индексами, которые значительно отличаются от значений, приписываемых антиферромагнетикам. Причем наибольшее отклонение, согласно расчетам X. Кавамуры, должно наблюдаться для критического индекса теплоемкости а. Более того, два новых критических индекса (Зс и 7с были введены в работе для того чтобы охарактеризовать среднюю киральность системы (С) ниже температуры перехода, а также киральную восприимчивость \с выше температуры перехода. Для экспериментальной проверки этой гипотезы В.П. Плахтий с
сотрудниками, используя дифракцию поляризованных нейтронов, провели серию экспериментов по измерению средней киральности (С) и киральной восприимчивости Хс как для простой спирали в образцах Но [8], так и для треугольных антиферромагнеников СбМпВгз и СбіМіСіз [9]. В результате этих исследований были определены критические киральные индексы (Зс и 7с в киральных спиновых структурах и была экспериментально подтверждена гипотеза киральной универсальности фазовых переходов второго рода.
Важно отметить, что в редкоземельных элементах Но и Dy спиновая спираль вырождена и необходимы внешние силы для того чтобы снять вырождение. В случае экспериментов с Но в [8] к образцу прикладывалось напряжение кручения, которое и приводило к преимущественному заселению одного типа спирали с перевесом в 2 %.
В случае с ферромагнитными нецентросимметричными кристаллами, такими как MnSi, роль силы, снимающей вырождение, играет взаимодействие Дзялошинского-Мория (ДМ), обусловленное нецентросимметричностью кристалла. Подобные же явления возникновения однозакрученной спирали наблюдаются и в антиферромагнитных нецентросимметричных кристаллах, где ДМ взаимодействие конкурирует с коллинеарным антиферромагнитным взаимодействием [10, 11]. Еще более интересным классом магнетиков с ДМ взаимодействием является класс диэлектриков-мультиферроиков, в которых отсутствие центра симметрии в кристаллах приводит к спонтанной или наведенной электрическим полем поляризации. В результате появляется взаимодействие ДМ, сопровождающееся образованием однонаправленной спиновой спирали. Направление вращения спирали зависит от знака взаимодействия ДМ, которое, в свою очередь, управляется степенью электрической поляризации, определяемой знаком и силой электрического поля, приложенного к образцу. Такой сценарий развития событий в мультиферроиках подтверждается экспериментами с поляризованными нейтронами, первый из которых был проведен еще в 80-е годы 20-го века [12].
Таким образом, актуальность исследования обусловлена тем фактом, что концепция спиновой киральности в настоящий момент является важным элементом в понимании сложных неколлинеарных спиновых структур, а метод рассеяния поляризованных нейтронов оказывается идеальным и чуть ли не
единственным способом обнаружения и исследования спиновой киральности. Кроме высокой чувствительности поляризованных нейтронов в экспериментах с киральными спиновыми объектами следует также отметить традиционные преимущества нейтронного рассеяния для исследования конденсированных сред, такие как: (1) высокая проникающая способность нейтронного излучения и возможность проводить эксперименты в экстремальных условиях низких температур и высоких давлений; (2) получение информации обо всем объеме исследуемого вещества, а не только с поверхности образца, физические свойства которой зависят от качества поверхности и низкоразмерных явлений; (3) возможность проводить измерения свойств магнитных систем в малом, практически нулевом, поле, тем самым не возмущая магнитную систему исследуемого объекта.
В качестве объекта исследования в данной диссертации представлены, во-первых, кубические нецентросимметричные магнетики, силициды переходных металлов, характеризующиеся наличием релятивистской спиновой спирали, обусловленной взаимодействием Дзялошинского-Мория. Физические свойства таких соединений определяются тонкой "игрой" различных взаимодействий: сосуществование сильного изотропного обменного взаимодействия наряду со слабыми релятивистскими взаимодействиями, нарушающими спиновую симметрию, приводит к появлению сложных магнитных структур и к новым явлениям различного типа. Хрупкое равновесие, обусловленное этими взаимодействиями, может быть легко нарушено внешними силами, такими как давление, магнитное поле и химическое замещение, что ещё больше усиливает интерес к этим объектам.
Во-вторых, представлено исследование многослойной Y/Dy системы, в которой обменное РККИ взаимодействие как внутри Dy слоя, так и между слоями приводит к образованию спиновой спирали с когерентной длиной много большей периода многослойной системы. Металлические многослойные системы с чередование магнитных и немагнитных слоев оказались в центре внимания исследователей в связи с обнаруженным в них эффектом гигантского магнитносопротивления (ГМР). Ключом к пониманию этого явления служит тот факт, что ферромагнитные слои в
многослойке попарно антиферромагнитно упорядочены. Как было показано, необычное антиферромагнитное упорядочение обусловлено осциллирующим РККИ взаимодействием между слоями. Дополнительные возможности спиральных магнетиков для ГМР эффекта недостаточно исследованы, однако, уже сейчас понятно, что спиновая и зарядовая степени свободы в них связаны необычным образом. Изучение многослойных металлических систем со спиральным упорядочением представляет интерес как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения.
В третьих, исследован феррромагнетик EuS, в критической области температур с целью изучения трех-спиновой корреляционной функции методом малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов. Известно, что свойства магнитных систем в критической области температур не определяются только парной корреляционной функцией, а описываются многочастичными функциями, т.е. корреляционными функциями высокого порядка [5]. До сих пор многочисленные исследования на этот счет сводились к различного вида компьютерным расчетам и теоретическим рассмотрениям. Не существует ни одного метода, который позволил бы прямо измерять корреляционные функции высоких порядков, в то время как такие измерения необычайно интересны как теоретически, так и экспериментально. Исключение составляет одна из экспериментальных методик, использующая киральный канал рассеяния поляризованных нейтронов [4].
В четвертых, были выбраны железо - никелевые инварные сплавы с целью исследования спин-волновой динамики в этой сложной системе. Нулевое значение коэффициента линейного теплового расширения в широком температурном диапазоне от нуля до Тс показывает, что магнетизм и объемные характеристики инварных сплавов связаны. Благодяря этому свойству инварные FeNi сплавы широко используются в промышленности для приборов прецизионной механики, в космической технике. Однако природа инварного эффекта до сих пор до конца не понята. В настоящее время наиболее распространенным объяснением является гипотеза Вейса о двух 7-состояниях атома железа в ГЦК решетке {2^- модель) [13]. На сегодняшний день, хотя многочисленные расчеты из первых принципов и поддерживают 27- модель, эксперименты с поляризованными нейтронами не подтверждают
ее истинности и вопрос о природе инварного эффекта остается открытым.
Перечисленные выше объекты исследования демонстрируют спектр задач, решение которых может быть достигнуто с помощью рассеяния поляризованных нейтронов. Настоящая работа претендует на решение ряда вопросов в области исследований сложных магнитных структур с использованием новых методик рассеяния поляризованных нейтронов, а потому является своевременной и актуальной.
В связи с вышеизложенным, целью настоящей диссертационной работы является демонстрация экспериментальных возможностей метода рассеяния поляризованных нейтронов при исследовании нарушения киральной симметрии в магнетиках и изучение магнитных характеристик материалов с использованием кирального канала в рассеянии поляризованных нейтронов.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие основные задачи:
-
Интегральными магнитными методами и методом малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов провести комплексное исследование закономерностей поведения магнитной системы кубического нецентросимметричного магнетика MnSi со взаимодействием Дзялошинского-Мория, как прототипа для других родственных систем FeGe, Fei-xCo^Si и Mni_yFeySi.
-
На основе полученных данных построить фазовую диаграмму (магнитное поле - температура) для моносилицида марганца MnSi и, опираясь на нее, в рамкам теории [14] рассчитать основные взаимодействия, управляющие магнитными свойствами данных систем.
-
Исследовать состояние магнитной системы MnSi в области А-фазы и оценить характер влияния магнитного поля на направление спиновой спирали.
-
Исследовать закономерности критического поведения магнитной подсистемы MnSi в области магнитного фазового перехода методом малоугловой дифракции поляризованных нейтронов.
-
Изучить особенности структурной и спиновой киральности систем MnSi и Fei-xCo^Si.
-
Исследовать закономерности критического поведения спиновой спирали в многослойной Y/Dy системе в области магнитного фазового перехода.
-
Изучить влияние магнитного поля на состояние магнитной системы многослойной Y/Dy системы ниже точки фазового перехода парамагнетик - гелимагнетик, а также измерить величину средней киральности системы в зависимости от температуры и магнитного поля.
-
Исследовать парную и трехспиновую корреляционные функции в классическом магнетике EuS в критической области температур в магнитном поле.
-
Исследовать спин-волновую динамику в классическом инварном сплаве Fe65Ni35 в широком диапазоне температур в магнитном поле.
Научная новизна.
Научная новизна результатов работы заключается в том, что в ней впервые всесторонне продемонстрированы возможности использования метода рассеяния поляризованных нейтронов для исследования проблемы киральности магнитных систем и использования кирального канала рассеяния нейтронов для решения задач физики твердого тела. Основные результаты экспериментальных исследований получены автором впервые и в ряде случаев привели к созданию новых теоретических положений для неколлинеарных магнетиков.
Научная и практическая ценность.
Установленные в результате выполнения работы физические закономерности вносят новый вклад в современные представления о магнитной системе кубических нецентросимметричных кристаллов с взаимодействием ДМ. Предложена и аппробирована теория критического рассеяния для спиновых систем с иерархией взаимодействий. Получен явный вид магнитной восприимчивости и корреляционные функции для иерархических спиновых систем.
На примере многослойной Dy/Y системы показана существенная роль, которую взаимодействие Дзялошинского-Мория играет при спиновом упорядочении в многослойных магнитно-немагнитных металлических системах.
Полученные экспериментальные результаты могут быть востребованы в научных лабораториях, занимающихся проблемами магнетизма и его связью с кристаллографической структурой.
Данные по изучению магнитных свойств геликоидальных магнетиков могут быть использованы при разработке новых типов магнитной памяти, датчиков нейтронной поляризации, а также для спинтронных устройств.
Апробация работы. Результаты и положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
на серии Международных конференций по нейтронному рассеянию IC-NS2001 (Мюнхен, Германия), ECNS2003 (Монпелье, Франция), ЕС-NS2007 (Лунд, Швеция), ICNS2009 (Бостон, США);
-
на международных конференциях по магнетизму ICM2006 (Киото, Япония), ICM2009 (Карлсруэ, Германия), на международной конференции по фрустрированному магнетизму HFM2006 (Осака, Япония), и на международном совещании по тонким магнитным пленкам ICMFS2009 (Берлин, Германия);
-
на серии совещаний по рассеянию поляризованных нейтронов в конденсированных веществах PNCMI2000 (Гатчина, Россия), PNC-MI2002 (Юлих, Германия), PNCMI2004 (Вашингтон, США), PNCMI2006 (Берлин, Германия), PNCMI2008 (Токай, Япония);
-
на серии национальных совещаний по Рассеянию Нейтронов в Исследованиях Конденсированных Сред РНИКС-1999 (Обнинск), РНИКС-2002 (Гатчина), РНИКС-2004 (Заречный), РНИКС-2008 (Гатчина).
Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка цитированной литературы из 161 наименования, содержит 282 страниц машинописного текста, включая 68 рисунков и 1 таблицу.
