Исследование сильно-коррелированных электронных систем методами электронного парамагнитного резонанса Иваньшин, Владимир Алексеевич

Введение к работе

Диссертация посвящена изучению сильно коррелированных электронных
систем - высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) (УВагСизОх; ЯЬзСбо;
Ваі-_хК_хВіОз; Pr2-_xGd_xCu04), клатратов Ba6-_xEu_xGe25, манганитов со структурой
перовскита Lai-_xSr_xMn03, квазиодномерного соединения БггУзОэ и

тяжёлофермионного (ТФ) металла УЬШігБіг - с помощью методов электронного парамагнитного резонанса.

Актуальность проблемы. Исследования в физике твёрдого тела на протяжении примерно двух последних десятилетий в значительной степени были сконцентрированы на изучении нового класса соединений - так называемых сильно-коррелированных электронных систем (СКЭС), содержащих элементы с незаполненными 3d-, 4d- и 5f- оболочками, для которых характерно наличие сильного обменного взаимодействия между электронами и локализованными магнитными состояниями. Взаимное влияние спиновых, зарядовых, колебательных и орбитальных степеней свободы приводит к возникновению довольно сложных картин фазового поведения вещества: статистических и флуктуирующих "островков" фаз, двумерных и одномерных квантовых объектов, регулированию на квантовом уровне и т.п. К числу СКЭС относятся, в частности, высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), интерметаллиды с тяжёлыми фермионами, манганиты с гигантским магнитосопротивлением, низкоразмерные магнетики. В этих веществах были обнаружены принципиально новые физические явления: квантовые фазовые переходы, эффект Кондо, флуктуации валентности, существенное отклонение от ферми-жидкостного поведения, спин-поляронные эффекты, существование сверхпроводящего состояния вплоть до температур порядка 156 К.

В то же время, исследование свойств СКЭС представляет интерес не только для познания фундаментальных свойств материи, но и в прикладном аспекте. СКЭС из экзотических объектов с совершенно необычными, а иногда и уникальными магнитными и транспортными характеристиками, всё интенсивнее превращаются в технологически используемые материалы. Так, ВТСП после их открытия в 1986 г., уже нашли применение для получения

сильных магнитных полей, проектирования мощных электрических генераторов, двигателей, токосъёмников, приборов для слаботочной и микроэлектроники, СВЧ-резонаторов с чрезвычайно большой добротностью. Весьма перспективными представляются возможности практического применения манганитов в спинтронике, а клатратов - в термоэлектрических устройствах. Таким образом, детальное изучение фундаментальных свойств СКЭС способствует поиску принципиально новых путей развития электроники, вычислительной техники и материаловедения. Методы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и спин-решеточной релаксации (СРР) уже давно известны как результативные методы изучения структуры твердых тел, примесных центров, характера и величины взаимодействий парамагнитных центров с колебаниями решетки и другими возбуждениями. Казанской научной школой накоплен богатый опыт исследований твердых тел с помощью методов ЭПР и СРР, ведущихся в стенах Казанского университета с 1944 г. Данная работа является естественным продолжением многолетних исследований лаборатории МРС КГУ магнитных свойств и спиновой динамики новых и нетрадиционных объектов - СКЭС - на микроскопическом уровне. Кроме того, существенная часть экспериментов в рамках диссертации была осуществлена в лабораториях Физического института Цюрихского университета (Швейцария), Аугсбургского университета (ФРГ) и Института химической физики твёрдого тела им. Макса Планка (г. Дрезден, ФРГ).

Цель данной работы - получение информации о характере и величинах микроскопических взаимодействий в различных СКЭС, а также поиск некоторых общих закономерностей, которые могли бы улучшить понимание происходящих в них процессов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований двух ВТСП соединений-
Ваі-_хК_хВіОз и ЯЬзСбо - с помощью метода нерезонансного
микроволнового поглощения, которые продемонстрировали

существенное усиление пиннинга в фуллерене ЯЬзСбо-

1. Выявление закономерностей и особенностей процессов СРР в ориентированных порошках медно-оксидных соединений УВагСизОх и Pr₂._xGd_xCu04, допированных ионами Yb , Er ⁺ и Gd ⁺. Идентификация спектров ЭПР ионов Nd³⁺ и Се³⁺ в УВагСизОб.із-

2. Результаты экспериментального изучения и последующего анализа спектров ЭПР примесного иона европия в клатратах Ba6-_xEu_xGe25, которые указали на наличие реконструктивных фазовых переходов в области 60 К и вблизи 175 -П85 К вследствие изменения обменных взаимодействий между электронами проводимости и магнитными моментами Eu .

4. Данные по систематическому исследованию спиновой динамики
манганитов Lai__xSr_xMn03 (0 < х < 0.2) методом ЭПР, которые в
значительной мере способствовали уточнению их фазовой диаграммы, а
также стимулировали развитие теории ЭПР релаксации для этого типа
СКЭС.

5. Установление особенностей структуры и спиновой динамики низкоразмерного магнетика БггУзОэ в результате экспериментального изучения и анализа температурных и угловых зависимостей спектров ЭПР от собственных магнитных центров V .

6. Обнаружение сигнала ЭПР от локальных магнитных ионов Yb ниже температуры Кондо в концентрированном интерметаллическом соединении с тяжёлыми фермионами YbRh2Si2, которое привело к пересмотру ряда устоявшихся понятий и параметров.

Научная новизна. Проведённые исследования показали высокую эффективность методов ЭПР при изучении СКЭС и позволили получить ряд принципиально новых, оригинальных результатов, достоверность которых подтверждается многократным повторением экспериментов и их признанием научной общественностью, что находит выражение в многочисленных ссылках на основные выводы данной диссертации. Экспериментальные работы по изучению особенностей спиновой динамики Lai__xSr_xMn03 и БггУзОэ выявили целый ряд существенных аспектов соответствующих областей физики твёрдого тела и послужили стимулом для дальнейшей теоретической обработки

полученных экспериментальных данных в независимых исследовательских центрах. Детектирование сигнала ЭПР в УЬШігБіг является пионерским и способствует созданию нового научного направления - изучению спиновой динамики концентрированных интерметаллических соединений на основе иттербия методом ЭПР без внедрения примесных парамагнитных зондов.

Научная и практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных экспериментальных результатов для дальнейшего развития методов ЭПР при изучении СКЭС, а также для создания новых теоретических представлений о СКЭС, включая природу высокотемпературной сверхпроводимости, гигантского магнитосопротивления, интерметаллидов с тяжёлыми фермионами.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и докладывались на итоговых научных конференциях Казанского государственного университета, семинарах кафедры и лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники КГУ, а также на следующих международных и российских конференциях, совещаниях и семинарах:

1. 4^th International Conference „Materials & Mechanisms of Superconductivity High-Temperature Superconductors" (Grenoble, France, July 1994);

2. XXVIIth Congress Ampere (Kazan, Russia, 1994)

3. International Conference „Electron Spin Resonance in Electron Transfer and Organic Solids" (Dresden, Germany, 1995);

4. Third European ESR Meeting (Leipzig, Germany, August 1997)

5. 16^th Conference of Condensed Matter Division of the EPS (Leuven, Belgium, August 1997);

6. 31st Annual International Meeting: "ESR Spectroscopy of Paramagnetic Species in Inorganic and Bio-Inorganic Systems" (Manchester, England, 29 March - 2 April 1998);

7. Friihjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (Miinster, Deutschland, 1999);

8. Specialized Colloque Ampere "EPR, NMR and NQR in Solid State Physics: Recent Trends" (Pisa, Italy, 1999);

9. International Conference on Physics and Chemistry of Molecular and Oxide Superconductors. (Stockholm, Sweden, 1999)

10. NATO Advanced Research Workshop "Defects and Surface-Induced Effects in Advanced Perovskites" (Latvia, Riga, 1999);

11. 8^th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance, (Les Diableretes, Switzerland, 1999);

12. 18^th Conference of Condensed Matter Division of the EPS Society (Montreux, Switzerland, 2000);

13. Physikertagung & Friihjahrstagung des Arbeitskreises Festkorperphysik der DPG (Hamburg, Deutschland, 2000);

14. STAR Conference "High-Frequency Electron Paramagnetic Resonance: Technology and Applications" (Amsterdam, Netherlands, 2000);

15. 30^th Congress Ampere on Magnetic Resonance and Related Phenomena, (Lisbon, Portugal, 23-28 July 2000);

16. XVth International Jahn-Teller Symposium (Boston, USA, 2000);

17. XXXII Всероссийское совещание по физике низких температур (Казань 2000);

18. Euro-Asian Symposium Trends in Magnetism (EASTMAG-2001) (Екатеринбург, 2001);

19. Specialized Colloque Ampere "ESR and Solid State NMR in High Magnetic Fields (Stuttgart, Germany, 2001);

20. 19^th General Conference of the EPS Condensed Matter Division (Brighton, UK, 2002);

21. International Conference on Superconductivity, CMR & Related Materials (Gience, France, 2002);

22. 31^st Congress Ampere (Poznan, Poland, 2002);

23. AKF Friihjahrstagung der DPG (Dresden, Deutschland, 2003);

24. International Conference on Dynamic Inhomogeneities in Complex Oxides

(Bled, Slovenia, 2003);

25. XXXIII Совещание по физике низких температур (Екатеринбург, 2003);

26. Satellite Conference of the ICM 2003 "EPR and NMR at High Field:

Applications to Magnetic Systems and Superconductors" (Pisa, Italy, 2003);

27. International Conference on Magnetism (Roma, Italy, 2003);

28. Specialized Colloque Ampere "NMR and EPR of Broad Line Solids" (Portoroz,

Slovenia, 2003);

29. International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (Karlsruhe,

Germany, 2004);

30. International Conference "Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena. Nanores-2004" (Kazan, Russia, 2004);

31. Friihjahrstagung der DPG (Dresden, Deutschland, 2006);

32. Ill Joint European Magnetic Symposia (San Sebastian, Spain, 2006);

33. International Conference on Magnetism (Kyoto, Japan, 2006);

34. Workshop on Phase Separation in Electron Systems (Crete, Greece, 2006);

35. International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (Houston, USA, 2007).

36. International Conference "Modern Development of Magnetic Resonance" (Kazan, Russia, 2007).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 29 статьях, включённых ВАК в «Перечень» ведущих рецензируемых журналов, и в сборниках трудов перечисленных конференций. Эти результаты широко цитируются. К настоящему моменту времени известно более 240 ссылок на работы, положенные в основу диссертации, в реферируемых журналах (по данным сайта: ). Список основных публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 246 страниц машинописного текста, включая 56 иллюстраций и 13 таблиц. Список цитированной литературы состоит из 234 наименований.

Похожие диссертации на Исследование сильно-коррелированных электронных систем методами электронного парамагнитного резонанса

Исследование восприимчивости и магнитных неоднородностей тонких пленок методом ферромагнитного резонанса Изотов Андрей Викторович

Исследование кристаллов гомологического ряда флюорита, активированных ионами трехвалентного иттербия, методами оптической спектроскопии и магнитного резонанса Герасимов Константин Игоревич

Развитие методов магнитно-резонансной томографии в исследовании самодиффузиии температурных полей в живых системахИльясов, Камиль Ахатович

Численное и экспериментальное исследование кривых намагничивания систем ферромагнитных наночастиц со случайной магнитной анизотропиейСмирнов, Сергей Иванович

Исследование магнитных фазовых переходов в системах наночастиц как задача повышения качества изображенийТретьякова Ольга Павловна

Мессбауэровские исследования фаз переменного состава типа RFe2 системы (Tb,Y)Fe2, (Gd,Y)Fe2, (Tb,Dy,Er)Fe2 Лысенко Сергей Александрович

Исследование магнитных свойств микро- и нанонеоднородных системПеров Николай Сергеевич

Исследование магнитных и транспортных свойств кристаллов манганитов в системе (La1-yEuy)0.7Pb0.3MnO3Патрин Константин Геннадьевич

Особенности процессов переноса поляризации в сильносвязанных спиновых системах и их регистрации методами разностного ядерного магнитного резонансаКуприянова, Галина Сергеевна

Квазиоптический метод исследования магнитного резонанса Попков Юрий Павлович