Экспериментальное исследование спин-пайерлсовского магнетика с дефектами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

I Введение.

1 Свойства цепочек обменно-связанных спинов 5 =

1.1 Цепочка спинов £ = | с однородным обменным взаимодействием.

1.2 Цепочка спинов Э = \ с альтернированным обменным взаимодействием.

1.3 Цепочка спинов 5 = \ с обменным взаимодействием ближайших и следующих за ближайшими соседей.

1.4 с п и11 - п а й е р л с о в с к и к переход в системе цепочек спинов £ = \.

2 Структура и свойства спин-пайерлсовского магнетика сисеоз

2.1 Кристаллическая структура Си0е03 и параметры обменного взаимодействия.

2.2 спин-пайерлсовский переход в чистых кристаллах СиОеОз.

2.3 Влияние примесей на свойства кристаллов Си0е

3 Экспериментальная методика и образцы.

3.1 Электронный спиновый резонанс.

3.2 Экспериментальная методика.

3.3 Образцы.

II Магнитный резонанс спиновых кластеров в

СПИН-ПАЙЕРЛСОВСКОМ МАГНЕТИКЕ СиСе03 . ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КЛАСТЕРОВ С ВОЗБУЖДЕНИЯМИ СПИН-ПАЙЕРЛСОВСКОГО МАГНЕТИКА.

4 Магнитный резонанс спиновых кластеров в допиро-ванных кристаллах СиОеОз

4.1 Магнитный резонанс с аномальным значением эффективного ^-фактора в кристаллах Си11К1хСе

4.2 Магнитный резонанс в Си0.998№0.002СеОз при низких температурах.

4.3 Обсуждение экспериментальных результатов.

4.3.1 Модель спиновых кластеров с взаимодействием Дзялошинского-Мориа.

4.3.2 Модель с учетом одноионной анизотропии.

4.3.3 Модель сильной релаксации на ионе никеля.

4.3.4 Сравнение различных моделей описания аномально малого значения эффективного д-фактора.

4.4 Связь магнитного резонанса изолированных кластеров в сио.998№о.оо2се03 с кристаллической структурой СиОеОз.

4.5 Резюме Главы 4.

5 Исследование взаимодействия спиновых кластеров и триплетных возбуждений в допированном спин-пайерлсовском магнетике

5.1 ЭПР в Cui-^nizgecb при различных температурах.

5.2 Качественное описание экспериментальных данных. Модель обменного сужения.

5.3 Рассмотрение взаимодействия кластеров с возбуждениями в приближении молекулярного поля.

5.4 Зависимость ^-фактора от температуры.

5.5 Температурная зависимость ширины линии магнитного резонанса.

5.6 Зависимость ^-фактора от концентрации выше температуры спин-пайерлсовского перехода.

5.7 Зависимость ^-фактора от температуры выше температуры спин-пайерлсовского перехода.

5.8 Резюме Главы 5.

III Взаимодействие кластеров, формирование дальнего порядка.

6 Исследование взаимодействия кластеров при малых концентрациях примеси.

6.1 Сравнение ЭПР в образцах Cui^Ni^GeOs с различной концентрацией примеси при низких температурах.

6.2 Взаимодействие случайно распределенных дефектов.

6.3 Эффективное обменное взаимодействие между кластерами.

6.4 Проявление анизотропных спин-спиновых взаимодействий.

6.5 Резюме Главы 6.

7 Исследование индуцированного примесями антиферромагнитного упорядочения в CuGe

7.1 Антиферромагнитный резонанс в кристаллах Cuix(Ni,Mg)xGe03.

7.2 Изменение формы линии ЭПР при переходе в антиферромагнитно-упорядоченную фазу.

7.3 Анализ природы парамагнитной спектральной компоненты линии резонансного поглощения ниже температуры Нееля.

7.4 Исследование формы линии ЭПР выше температуры Нееля.

7.5 Модель микроскопического разделения фаз, ее связь с экспериментальными наблюдениями.

7.6 Резюме Главы 7.

Все реальные магнетики являются трехмерными. Однако, существует широкий класс веществ, в которых обменное взаимодействие вдоль одного или двух направлений сильно ослаблено из-за особенностей кристаллографической структуры. О таких магнетиках говорят, как о квазидвумерных и квазиодномерных, соответственно. Существование дополнительного слабого взаимодействия между плоскостями спинов или спиновыми цепочками может привести к антиферромагнитному упорядочению (с основным состоянием неелевского тина) при достаточно низкой температуре [5]. В некоторых случаях основное состояние низкоразмерного магнетика оказывается устойчиво к слабому обменному взаимодействию между низкоразмерными подсистемами — такой магнетик остается в неупорядоченном состоянии при всех температурах вплоть до Т = 0.Примером квазинизкоразмерных магнетиков с основным состоянием от*здесь и далее угловые скобки (г,;) символизируют, что при суммировании каждая пара i и j [i ф j) учитывается только один раз. личным от неелевского, являются так называемые спин-щелевые магнетики.Для энергетического спектра магнитных возбуждений этих систем характерно наличие щели между синглетным основным состоянием и возбужденными состояниями (в отсутствие анизотропии, спектр возбуждений трехмерного антиферромагнетика не имеет щели). Как мы увидим далее, щель в энергетическом спектре спин-щелевых магнетиков имеет чисто обменную природу — ее величина определяется величиной обменного взаимодействия.Сохраняющееся до низких температур неупорядоченое состояние спинщелевого магнетика является чисто квантовым эффектом и представляет интерес для исследования. В частности, весьма важной является проблема устойчивости этого состояния к различным внешним воздействиям. Одним из способов воздействия может быть контролируемое введение магнитных и немагнитных примесей замещения в структуру магнетика.Настоящая диссертация посвящена экспериментальному исследованию влияния примесей на свойства одной из спин-щелевых систем: спинпайерлсовского магнетика СиСеОз , при помощи метода электронного магнитного резонанса. Диссертация состоит из восьми глав, разбитых на четыре части: вводную часть (три главы), две части с изложением результатов '^ по "ве главы каждая^ и заключительную часть, а также двух пг)иложений.В первой части описываются свойства спиновых цепочек, дается обзор известных свойств СиСеОз и описывается применявшаяся экспериментальная методика. Во второй части представлены результаты исследования формирования вокруг примесного иона кластеров обменно связанных спинов в слабо допированном (концентрация примеси менее 1%) СиСеОз , исследуется поведение невзаимодействующих кластеров и их взаимодействие с триплетными возбуждениями сиин-пайерлсовской матрицы. В третьей части представлены результаты исследования установления индуцированного примесями дальнего магнитного порядка в допированном СиОеОз . В заключительной части формулируются основные результаты работы. В приложениях к диссертации рассмотрены некоторые вопросы экспериментальной методики и методов анализа ширины линии магнитного резонанса. Приложения носят методический характер и не содержат результатов, представляемых к защите.

Основные результаты докладывались на российских и международных научных конференциях и опубликованы в работах:

• V.N.Glazkov, A.I.Smirnov, O.A.Petrenko, D.Mck. Paul, A.G.Vetkin, R.M.Eremina, "Electron-spin-resonance in the doped spin-Peierls compound Cu^NiaGeOs ", Journal of Physics: Condensed Matter, vol.10(1998), pp.7879-7896 (cond-mat/9806325)

• B.H.Глазков, Р.М.Еремина, А.И.Смирнов, Г.Даленн, А.Ревколевчи, "Магнитный резонанс спиновых кластеров и триплетных возбуждений в спин-пайерлсовском магнетике с примесями", ЖЭТФ т. 120 стр. 164174 (JETP v.93 р.143 (2001), cond-mat/0106069)

• V.N.Glazkov, A,LSmirnov, K.Uchinokura, T.Masuda, "Separation of the magnetic phases at the Neel point in the diluted spin-Peierls magnet CuGe03 ", Phys.Rev.B vol.65, 144427 (2002) (cond-mat/0105246)

8.2 Благодарности.

Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарить Александра Ивановича Смирнова — за научное руководство, за требовательность, сочетающуюся с широкой свободой в проведении исследований, и за многочисленные полезные (и поучительные) дискуссии, Людмилу Андреевну Прозорову — за внимание и интерес к работе, многочисленные полезные замечания и поддержание необычайно дружественной атмосферы в нашей лаборатории, Сергея Сосина — за многочисленные практические советы и активное обсуждение экспериментальных результатов, а также всех сотрудников Института Физических Проблем РАН за благожелательное отношение.

Автор признателен профессору А.Лойдлу за возможность проведения некоторых измерений в Институте Физики Университета Аугсбурга, Ханс-Альбрехту Круг фон Нидде, Закиру Сеидову, Монике Хейнрих и Веронике Фритч за практическую помощь в проведении измерений, и всех сотрудников кафедры "Экспериментальная Физика 5"за советы и помощь. Отдельная благодарность — Томасу Курцу за возможность использования его программы "ЕЗШ?^"для обработки экспериментальных данных и несравнимый оптимизм.

Автор благодарен профессору Казанского Государственного Университета М.В.Еремину и Рушане Ереминой (Казанский Физико-Технический Институт КНЦ РАН) за помощь в освоении теории ширины линии магнитного резонанса и расчеты моделей многоспиновых кластеров, а также за многочисленные связанные с этим дискуссии.

Работа не могла бы быть выполнена в таком объеме без высококачественных кристаллов СиСеОз с различными примесями, выращенных в лабораториях профессора А.Ревколевчи (Университет Парижа) и профессора К.Учинокуры (Университет Токио).

Исследования, представленные в диссертации, были выполнены при поддержке грантов РФФИ, совместного гранта РФФИ и Немецкого Научно-Исследовательского Общества, грантов ШТАБ и С1ШР, а также при поддержке Исследовательского Центра Юлиха в рамках программы " Стипендия Ландау".

Заключение

1. Вильям шекспир, Трагедии. 'Гамлет, принц датский', 1., 2 (в переводе Б.Пастернака)

2. N.D.Mermin, H.Wagner, Physical Review Letters 17 (1966), 1133

3. Bethe H., Zeitschrift für Physik 71 (1931), 205

4. B.Sriram Shastry, Bill Sutherland, Physica 108B (1981), 1069

5. Michael J.Hennessy, Carl D.McElwee, Peter M.Richards, Physical Review В 7 (1973), 9306j Jacques des Cloiseaux, Pearson J.J., Physical Review 128 (1962), 2131

6. Л.Н.Булаевский, Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 43 (1962), 968

7. Jill С. Bonner, Michael Е. Fisher, Physical Review 135 (1964), A640

8. Sebastian Eggert, Ian Affleck, Minoru Takahashi, Physical Review Letters 73 (1994), 332

9. W.E.Estes, D.P.Gavel, W.E.Hatfield, D.Hodgson, Inogranic Chemistry 17 (1978), 1415

10. D.C.Johnson, R.K.Kremer, M.Troyer, X.Wang, A.Klumper, S.L.Bud'ko, A.F.Panchula, P.C.Canfield, Physical Review В 61 (2000), 9558

11. F.D.M.Haldane, Physical Review Letters 50 (1983), 1153

12. Jill C.Bonner, Hendrik W.J.Blote, Physical Review В 25 (1982), 6959

13. Л.Н.булаевский, Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 44 (1963), 1008

14. R.Chitra, Swapan Pati, H.R.Krishnamurthy, Diptiman Sen, S.Ramanesha, Physical Review В 52 (1995), 658116. klyoml окамото, Journal of the Physical Society of Japan 56 (1987), 912

15. Affleeck I., Physical Review В 41 (1990), 6697

16. И.А.Зализняк, Исследование статических и резонансных свойств квазиодномерных антиферромагнетиков, кандидатская диссертация, ИФП (1993)

17. F.D.M.Haldane, Physical Review В 25 (1982), 4925

18. E.Pytte, Physical Review В 10 (1974), 4637

19. L.N. Bulaevskii, A.I.Buzdin, D.I.Khomskii, Solid State Communications 27 (1978), 5

20. J.W.Bray, H.R.Hart, L.W.Interrante, I.S.Yakobs, J.S.Kasper, G.D.Watkins, S.H.Wee, J.C.Bonner, Physical Review Letters 35 (1975), 744

21. S.Huizinga, J.Kommandeur, G.A.Sawatzky, B.T.Thole, K.Kopinga, W.J.M de Jonge, J.Roos, Physical Review В 19 (1979), 4723

22. C.Coulon, P.Vaca, T.Granier, B.Gallois, Synth.Met 27 (1988), B449

23. M.Braden, G.Wilkendorf, J.Lorenzana, M.Ain, G.J.McIntyre, M.Behruzi, G.Heger, G.Dhalenne, A.Revcolevchi, Physical Review В 54 (1996), 1105

24. M.Hidaka, М.Натае, I.Yamada, M.Nishi, J.Akimitsu, Journal of Physics: Condensed Matter 9 (1997), 809

25. D.Khomskii, W.Geertsmaa, M.Mostovoy, Czech.J.Phys. 46 Suppl.S6 (1996), 322928. wlebe Geertsma, D.Khomskii, Physical Review В 54 (1996), 3011

26. M.Nishi, O.Fujita, J.Akimitsu, Physical Review В 50 (1994), 6508

27. J.Riera, A.Dobry, Physical Review В 51 (1995), 16098

28. G.Castilla, S.Chakravarty, V.J.Emery, Physical Review Letters 75 (1995), 1823

29. A.A.Gippius, E.N.Morozova, D.F.Khozeev, A.N.Vasil'ev, M.Baenitz, G.Dhalenne, A.Revcolevchi, Journal of Physics: Condensed Matter 12 (2000), L71

30. M.Braden, E.Ressouche, B. Buchner, R. Kebler, G.Heger, G.Dhalenne, A.Revcolevschi, Physical Review В 57 (1998), 11497

31. Michael C.Martin, G.Shirane, Y.Fujii, M.Nishi, O.Fujita, J.Akimitsu, M.Hase, K.Uchinokura, Physical Review В 53 (1996), R14713

32. J.Zeman, G.Martinez, P.H.M. van Loosdrecht, G.Dhalen, A.Revcolevchi, Physical Review Letters 83 (1999), 2648

33. А.И.Смирнов, В.H.Глазков, Л.И.Леонюк, А.Г.Веткин, Р.М.Еремина, Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 114 (1998), 1876

34. Masashi Hase, Ichiro Terasaki, Kunimutsu Uchinokura, Physical Review Letters 70 (1993), 3651

35. L.P.Regnault, M. Ain, B. Hennion, G.Dhalenne, A.Revcolevchi, Physical Review B 53 (1996), 5579

36. K.Hieota, D.E.Сох, J.E.Lorenzo, G.Shieane, J.H.Tranquada, M.Hase, K.Uchinokura, H.Kojima, Y.Shibuya, I.Tanaka, Physical Review Letters 73 (1994), 736

37. M.Arai, M.Fujita, M.Motokawa, J.Akimitsu, S.M.Bennington, Physical Review Letters 77 (1996), 3649

38. T.Lorenz, U.Ammerahl, T.Auweiler, В.Büchner, A.Revcolevchi,

39. G.dhalenne, Physical Review В 55 (1997), 5914

40. J.Sichelschmidt, M.Baenitz, C.Geibel, F.Steiglich, A.Loidl,

41. H.H.Otto, Applied Magnetic Resonance 23 (2002), 75

42. Makoto Honda, Tadashi Shibata, Koichi Kindo, Shunji Sugai, Tetsuya Takeuchi, Hidenobu Hori, Journal of the Physical Society of Japan 65 (1996), 691

43. А.И.Смирнов, В.H.Глазков, А.Н.Васильев, Л.И.Леонюк, С.М.Коад, Д.Мак Пол, Г.Дален, А.Ревколевчи, Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 64 (1996), 277

44. I.Yamada, M.nlshi, J.Akimitsu, Journal of Physics: Condensed Matter 8 (1996), 2625

45. B.pllawa, Journal of Physics: Condensed Matter 9 (1997), 3779

46. B.Grenier, J.-P.Renard, P.Veillet, C.Paulsen, G.Dhalenne, A.Revcolevchi, Physical Review В 58 (1998), 8202

47. Y.Sasago, N.Koide, K.Uchinokura, Michael C. Martin, M.Hase, K.Hirota, G.Shirane, Physical Review В 54 (1996), R6835

48. H.Fukuyama, T.Tanimoto, M.Saito, Journal of the Physical Society of Japan 65 (1996), 1182

49. T.Masuda, I.Tsukada, K.Uchinokura, Y.J.Wang, V.Kiryukhin, R.J.Birgeneau, Physical Review В 61 (2000), 4103

50. S.Coad, O.Petrenko, D.McK.Paul, B.FAk, J-G.Lussiee,

51. D.F.McMorrow, Physica В 239 (1997), 350

52. S.Coad, J.-G.Lussier, D.F.McMorrow, D.McK.Paul, Journal of Physics: Condensed Matter 8 (1996), 6251

53. V.N.Glazkov, A.I.Smirnov, O.A.Petrenko, D.Mck. Paul,

54. A.G.Vetkin, R.M.Eremina, Journal of Physics: Condensed Matter 10 (1998), 7879

55. S.Katano, O.Fujita, J.Akimitsu, M.Nishi, K.Kakurai, Y.Fujii, Physical Review В 57 (1998), 10280

56. S.Katano, O.Fujita, J.Akimitsu, M.Nishi, K.Kakurai, Y.Fujii, Physical Review В 57 (1998), 10280

57. Masashi Hase, Masayuki Hagiwara, Koichi Katsumata, Physical Review B, 54 (1996), R372

58. B.H.Глазков, Р.М.Еремина, А.И.Смирнов, Г.Даленн, А.Ревколевчи, Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 120 (2001), 164

59. V.Kiryukhin, Y.J.Wang, S.C.LaMarra, R.J.Birgeneau, T.Masuda, I.Tsukada, K.Uchinokura, Physical Review В 61 (2000), 9527

60. A.I.Smirnov, V.N.Glazkov, Н.-A.Krug von Nidda, A.Loidl, L.N.Demianets, A.Ya.Shapiro, Physical Review В 65 (2002), 174422

61. Akira Oosawa, Toshio Ono, Hidakazu Tanaka, arXiv:cond-mat (2002), 0202004

62. E.F.Shender, S.A.Kivelson, Physical Review Letters 66 (1991), 2384

63. Chitoshi Yasuda, Synge Todo, Munehisa Matsumoto, Hajime takayama, Physical Review В 64 (2001), 092405

64. K.M.Kojima, Y.Fudamoto, M.Larkin, G.M.Luke, J.Merrin,

65. B.Nachumi, Y.J.Uemura, M.Hase, Y.Sasago, K.Uchinokura, Y.Ajiro, A.Revcolevchi, J.-P.Renard, Physical Review Letters 79 (1997), 503российская госуд/ ; ; '""tía^1. БНБЛ^и^»: