Введение к работе
Актуальность темы. Исследования низкоразмерных соединений
вызывают большой интерес из-за яркого проявления квантовых эффектов
при достаточно высоких температурах. Такие явления как
высокотемпературная сверхпроводимость, колоссальное
магнетосопротивление, спин-пайерлсовский переход стимулировали исследования низкоразмерных соединений оксидов переходных металлов.
Помимо вышеперечисленных явлений в квазиодномерных соединениях под действием внешнего магнитного поля может наблюдаться упорядоченная спин модулированная структура, например, в соединении L1CUVO4 данный эффект наблюдается в плоскости (аЪ) кристалла при наложении внешнего магнитного поля выше Нс2=6.07 Т и температуре, ниже температуры Нееля [1]. Также в качестве примера можно привести соединение NaCibCb, где статическая спиновая структура сосуществует со спиральной модуляцией магнитных моментов меди, поляризованных в плоскости (be) [2].
В спин-димерных низкоразмерных системах наблюдаются квантовые явления, связанные с возбужденными триплетными состояниями [3]. Бозе-эйнштейновская конденсация магнонов [4, 5], наблюдена в соединении ТІСиСіз в 2000 г., вигнеровская кристаллизация магнонов обнаружена в димерной системе SrCu2(B03)2 [6]. Эти открытия, сделанные в последнее десятилетие, привлекли дополнительное внимание исследователей к низкоразмерным спиновым системам.
Взаимодействия зарядовых, спиновых и орбитальных степеней свободы в оксидах переходных металлов приводят к неожиданным физическим свойствам сильно-коррелированных систем. Интересные явления наблюдаются при допировании этих материалов. При определенных концентрациях и сорте примесных атомов реализуется весьма интересная ситуация - явление электронного фазового расслоения, например в кристаллах манганитов состава ЕиолРЬо.зМпОз и ЬаолРЬо.зМпОз [7, 8].
Представленная диссертация посвящена исследованию
низкоразмерного соединения С11ТЄ2О5, которое является ярким представителем спин-димерных систем, методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), а также изучению температурных зависимостей молярной теплоемкости и магнитной восприимчивости данного соединения, что позволило построить модель обменных связей, а также оценить величины изотропного и анизотропного обменных взаимодействий в исследуемом образце.
Целью данной работы являлось построение физической модели обменных связей в новом низкоразмерном магнетике С11ТЄ2О5, которая позволила бы единым образом объяснить результаты экспериментального исследования магнитной восприимчивости, теплоемкости, а также все особенности спектров ЭПР в данном соединении.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Предложена модель обменных связей в СиТ^О^ в виде двух типов
магнитно-неэквивалентных квазиодномерных цепочек спинов с
альтернированным обменным взаимодействием внутри цепочек, определены
параметры симметричного изотропного обмена между спинами меди в
цепочке и между соседними цепочками.
2. В интервале температур 4К - 300К проведены измерения
температурных зависимостей статической магнитной восприимчивости,
теплоемкости, а также угловых и температурных зависимостей спектров
электронного парамагнитного резонанса в CiH^Os-
3. Впервые по угловым и полевым зависимостям положения и ширины
линии ЭПР определены компоненты тензора гиромагнитных отношений и
анизотропных симметричных взаимодействий между спинами ионов меди в
цепочке.
4. Получено выражение для ширины линии ЭПР, обусловленной симметричными анизотропными обменными взаимодействиями в альтернированной цепочке.
5. Рассчитан решеточный вклад и определен вклад, обусловленный магнитной подсистемой, в температурную зависимость молярной теплоемкости СиТЄ2С>5.
Научная и практическая значимость:
Полученные результаты являются новыми и вносят существенный вклад в понимание микроскопической картины обменных взаимодействий в СиТе205. Результаты исследований могут быть использованы при теоретических и экспериментальных исследованиях физических свойств новых материалов, при выполнении дипломных и курсовых работ.
Достоверность и обоснование результатов обеспечены комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, их многократной повторяемостью, непротиворечивостью результатов, полученных различными методами, а также совпадением контрольных экспериментов и теоретических расчетов с установленными фактами, опубликованными в научных статьях, обзорах и монографиях.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Построение модели обменных связей в С11ТЄ2О5 в виде двух типов магнитно-неэквивалентных квазиодномерных цепочек спинов с альтернированным обменным взаимодействием по результатам анализа данных по ЭПР и температурным зависимостям статической магнитной восприимчивости и молярной теплоемкости.
-
Определение по экспериментальным данным наибольшей величины изотропного обменного взаимодействия между спинами ионов меди внутри цепочки, параметра альтернирования обменного взаимодействия в цепочке, величины изотропного обменного взаимодействия между спинами ионов меди из соседних магнитно-неэквивалентных цепочек меди.
-
Теоретический расчет ширины линии ЭПР, обусловленной анизотропными обменными взаимодействиями симметричного типа для альтернированных цепочных структур.
-
Результаты экспериментальных исследований и теоретического расчета по определению значений компонент и направлений главных осей g -тензоров для двух магнитно-неэквивалентных центров меди в С11ТЄ2О5, а также параметров симметричных анизотропных обменных взаимодействий между спинами ионов меди внутри структурного димера, а также между спинами меди соседних димеров, составляющих цепочку.
5. Описание магнитного вклада в молярную теплоемкость С11ТЄ2О5 на
основании предложенной модели обменных связей.
Личный вклад автора состоит в:
участии в обсуждении цели и постановке задачи;
проведении измерений спектров электронного парамагнитного резонанса, обработке результатов измерений;
написании программ для обработки результатов и проведении расчетов с их помощью;
участии в обсуждении результатов эксперимента, их теоретическом описании, написании статей.
Ряд экспериментальных исследований был выполнен автором в лаборатории Аугсбургского университета, Германия. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 06-02-17401-а и 07-02-08792-3, госконтракт ФЦП 02.740.11.0103.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Конференция Молодых ученых Казанского физико-технического института (Казань, март 2005 г.); IX, XI международная школа молодых ученых «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его применения» (Казань, сентябрь 2005 и 2007 гг.); VI Научная конференция «Материалы и технологии XXI века» (Казань, апрель 2006 г.); международный, междисциплинарный симпозиум "Фазовые
превращения в твердых растворах и сплавах" ОМА-9 (Сочи, сентябрь 2006 г.); International Workshop on "Exotic States in Materials with Strongly Correlated Electrons" ESM'07 (Sinaia, Romania, September, 2007 г.); международная зимняя школа физиков-теоретиков Коуровка-ХХХН (Екатеринбург, февраль 2008 г.); Moscow International Symposium on Magnetism, MISM-2008 (Moscow, June 2008), Европейский конгресс no магнитному резонансу EUROMAR 2008 (Санкт-Петербург, июль 2008 г.), 4-ый евроазиатский симпозиум «Тенденции в магнетизме: наноспинтроника» Eastmag-2010 (Екатеринбург, июнь 2010 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе: 3 научные статьи в ведущих рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК; 10 работ в материалах вышеперечисленных конференций.
Структура и объем диссертации.
