Инфракрасная спектроскопия квазиодномерных магнетиков CuGeO3 и α '-NaV2 O5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Квазиодномерные магнитные системы.

1.2 CuGe03.Ю

1.3 NaV205 • •

2 Описание эксперимента

2.1 Исследуемые образцы

2.1.1 CuGe03.

2.1.2 NaV205 .:

2.2 Экспериментальная установка

2.2.1 Спектральный прибор.

2.2.2 Криостаты.

2.2.3 Методика измерения спектров пропускания

2.2.4 Методика измерения спектров отражения.

3 Моделирование спектров

ОГЛАВЛЕНИЕ

4 Оптические свойства спин-пайерлсовского купрата CuGeC>

4.1 Электронные спектры

4.2 Исследование спин-пайерлсовского перехода по спектрам в далекой ИК-области.

5 Инфракрасная спектроскопия квазиодномерного магнетика c/-N aV2C>

5.1 Фононные спектры и симметрия кристаллической решетки аЧМаЛ^Об в высокотемпературной фазе.

5.2 Высокочастотная диэлектрическая аномалия в a/-NaV и характер зарядового упорядочения

5.3 Электронные спектры аЧМаУгОб.

5.4 Колебания решетки низкотемпературной фазы с/ЧМаУгОб. "Сложенные" фононные моды.

Низкоразмерные магнитные системы являются очень популярным объектом как теоретических так и экспериментальных исследований из-за их необычных свойств и практической значимости. Широко известны, например, ВТСП соединения ШЗагСизОт-г, в которых важную роль играют магнитные взаимодействия в двумерных слоях и цепочках медь-кислород. Одномерные магнитные системы характеризуются и другими интересными квантовыми эффектами, одним из которых является т. н. спин-пайерлсовский фазовый переход.

Спин-пайерлсовский переход был предсказан теоретически в 1962 году Макконнелом и Линден-Беллом. В их статье [15] рассматривались одномерные анти ферромагнитные гайзенберговские цепочки спинов с S = 1/2. Такая система, как известно, не может прийти в упорядоченное (антиферромагнитное) состояние даже при нуле температур (ан-зац Бете). Авторы предположили, что упорядоченное состояние все же может при определенных условиях достигаться за счет альтернирования цепочки. При этом происходит удвоение ее периода — противоположно ориентированные магнитные атомы попарно сближаются и, спариваясь, образуют димеры. Основное состояние димеров является синглетным и немагнитным. Поэтому такой переход характеризуется резким изотропным падением магнитной восприимчивости практически до нуля. Кроме того, разумеется, происходит удвоение периода кристаллической решетки вдоль направления цепочек (и, возможно, в других направлениях тоже). Такой эффект, являясь магнитным аналогом пайерлсовского фазового перехода в квазиодномерных проводниках, получил название спин-пайерлсовского перехода.

Впервые экспериментальные доказательства существования спин-пайерлсовского перехода были получены в 1975 году на сложных орга-нометаллических соединениях (TTF-CuS4C4(CF3)4, Тс = 12 К и TTF-AuS4C4(CF3)4, Тс = 2К). Однако эти соединения, в силу своей сложности, представляли не слишком удобный объект для исследований, как экспериментальных так и теоретических. Поэтому неудивительно, что сообщение о наблюдении спин-пайерлсовского перехода в относительно простом неорганическом соединении СиОеОз ([16], 1993, Тс = 14 К) сразу вызвало живейший интерес во всем мире. В короткий срок было опубликовано большое количество работ, в которых кристаллы СивеОз изучались с помощью таких методик как измерение магнитной восприимчивости, рентгеновское и нейтронное рассеяние, ЭПР, и, несколько позже, комбинационное рассеяние света. Однако практически отсутствовали исследования оптических спектров пропускания и отражения, а в немногочисленных опубликованных работах оптические спектры снимались с недостаточой чуствительностью и разрешением для обнаружения эффектов, вызванных переходом.

Через три года после обнаружения спин-пайерлсовского перехода в СивеОз, характерные черты этого перехода обнаружили во втором неорганическом соединении a'-NaX^Os ([17], 1996, Тс — 35К). Первые же измерения ИК-спектров пропускания NaX^Os [18] (проведенные в ИСАИ нашей группой) показали перспективность оптических методов в исследовании этого интересного соединения. К тому времени результаты исследования NaV20,5 в печати практически отсутствовали.

Целью настоящей работы являлось исследование низкоразмерных магнитных соединений СивеОз и a'-NaV205 методом фурье-спектроскопии высокого разрешения в видимом и ИК-диапазонах спектра в широком интервале температур (4-300К). При этом основной задачей был поиск изменений в оптических спектрах СиСеОз и a'-NaV^C^, сопровождающих фазовый переход, и их интерпретация. По мере накопления экспериментальных данных о фазовом переходе в первоначально практически неисследованном соединении a'-NaV^Os, происходил пересмотр представлений о нем и появление новых интерпретаций. В связи с этим возникали следующие задачи: определение группы симметрии кристаллической решетки a'-NaV205 в высокотемпературной фазе; определение возможного способа упорядочения заряда в аЧЧаУгОб при фазовом переходе.

Диссертация построена следующим образом. Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором рассмотрены теоретические положения, необходимые для анализа и интерпретации результатов экспериментальной части диссертации, и подытожены данные экспериментальных работ, опубликованных на момент начала работы над диссертацией. Во второй главе описывается методика эксперимента. В ней приведено описание экспериментальной установки и исследуемых образцов монокристаллов CuGeC>3 и с/чМаУгОб. Для определения параметров наблюдаемых линий и оптических постоянных образцов в работе широко использовалось численное моделирование спектров пропускания и отражения. Деталям этой методики посвящена третья глава. В четвертую главу сведены основные результаты экспериментальных исследований спин-пайерлсовского купрата СивеОз и их подробная интерпретация. Пятая глава посвящена ванадату натрия a'-NaV^Os и анализу фазового перехода в нем. Шестая глава является заключительной — в ней подводится итог всей работы и еще раз кратко перечисляются основные результаты диссертации.

Результаты, изложенные в настоящей диссертации, докладывались на семинарах и конкурсах научных работ ИСАН, на XXXI Совещании по физике низких температур (Москва, 1998) и на международных конференциях Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 1999) и 22nd International Conference on Low Temperature Physics (Финляндия, 1999). По результатам диссертации опубликовано восемь работ, список которых приводится в конце диссертации [1-8].

ГЛАВА 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77

В заключение, выражаю искреннюю благодарность моему научному руководителю Марине Николаевне Поповой и Андрею Сушкову, без которых эта работа никогда не была бы написана. Хочу также глубоко поблагодарить профессора Германа Николаевича Жижина за постоянный интерес и внимание к работе, Сергея Климина за помощь в экспериментальной работе, Лену Чукалину за помощь в обработке экспериментальных данных. Признателен также и всем остальным сотрудникам отдела спектроскопии твердого тела ИСАН, чей вклад в творческую атмосферу, способствующую научной работе, трудно переоценить.

1. М. Н. Попова, А. Б. Сушков, С. А. Голубчик, А. Н. Васильев, и J1. И. Леонюк, Оптическое поглощение в спин-пайерлсовском ку-прате CuGe03, ЖЭТФ 110 (1996) 2230-2235.

2. М. N. Popova, А. В. Sushkov, S. A. Golubchik, А. N. Vasil'ev, and L. I. Leonyuk, Folded modes in the infrared spectra of the spin-Peierls phase of CuGe03, Phys. Rev. В 57 (1998) 5040-5043, cond-mat/9709312.

3. M. N. Popova, A. B. Sushkov, and S. A. Golubchik, High Resolution Infrared Spectroscopy of a'-NaV^Os, Physica В (2000), in press.

4. A. I. Smirnov, M. N. Popova, A. B. Sushkov, S. A. Golubchik, D. I. Khomskii, M. V. Mostovoy, A. N. Vasil'ev, M. Isobe, and Y. Ueda, Dielectric anomaly in NaV^Os: evidence for charge ordering, Physica/ ^ r\ \и \xjGbuj5 in press.

5. А. И. Смирнов, М. Н. Попова, А. Б. Сушков, С. А. Голубчик, М. В. Мостовой, Д. И. Хомский, А. Н. Васильев, М. Исобэ, и И. Уэда,

6. Диэлектрическая аномалия при возникновении спиновой щели в NaViOs, в XXXI Совещание по физике низких температур, тезисы докладов, стр. 105, дек. 2-3 1998.

7. M. N. Popova, A. B. Sushkov, and S. A. Golubchik, High Resolution Infrared Spectroscopy of cr'-NaV^C^, in LTS2 Abstracts, page 358, Espoo and Helsinki, Finland, Aug. 4-11 1999.

8. M. N. Popova, A. B. Sushkov, S. A. Golubchik, B. Z. Malkin, A. I. Iskhakova, M. Isobe, and Y. Ueda, Lattice Vibrations of Low. Temperature Phase of ar'-NaV^Os, (2000), to be published.

9. H. M. McConnell and R. Lynden-Bell, Paramagnetic Exitons in Solid Free Radicals, J. Chem. Phys. 36 (1962) 2393-2397.

10. M. Hase, I. Terasaki, and K. Uchinokura, Observation of the spin-Peierls transition in linear Cu2+ (spin-|) chains in an inorganic compound CuGe03, Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 3651-3654.

11. М. Isobe and Y. Ueda, Magnetic susceptibilities of quasi-one-dimensional compound a'-NaV^Os, J. Phys. Soc. Jpn. 65 (1996) 1178— 1181.

12. А. И. Буздин и JI. H. Булаевский, Спин-пайерлсовский переход в квазиодномерных кристаллах, УФН 131 (1980) 495-510.

13. J. С. Bonner and Н. W. J. Blote, Excitation spectra of the linear alternating antiferromagnet, Phys. Rev. В 25 (1982) 6959-6980.

14. A. H. Васильев, Спин-пайерлс, Природа №12 (1997) 33-42.

15. L. N. Bulaevskii, A. I. Buzdin, and D. I. Khomskii, Spin-Peierls Transition in Magnetic Field, Sol. State. Comm. 27 (1978) 5-10.

16. J. P. Pouget, L. P. Regnault, M. Am, B. Hennion, J. P. Renard, P. Veillet, G. Dhalenne, and A. Revcolevschi, Structural evidence for a spin-Peierls ground state in the quasi-one-dimensional compound CuGe03, Phys. Rev. Lett. 72 (1994) 4037-4040.

17. M. Braden, G. Wilkendorf, J. Lorenzana, M. Ai'n, G. J. Mclntyre, M. Behruzi, G. Heger, G. Dhalenne, and A. Revcolevschi, Structural analysis of СиСеОз; relation between nuclear structure and magnetic interaction, Phys. Rev. В 54 (1996) 1105-1116.

18. К. Hirota, D. Е. Сох, J. Е. Lorenzo, G. Shirane, J. M. Tranquada, M. Hase, K. Uchinokura, H. Kojima, Y. Shibuya, and I. Tanaka, Dimerization of CuGeOs in the spin-Peierls state, Phys. Rev. Lett. 73 (1994) 736-739.

19. M. Nishi, O. Fujita, and J. Akimitsu, Neutron-Scattering Study on the Spin-Peierls Transition in a Quasi-One-Dimentional Magnet CuGe03, Phys. Rev. В 50 (1994) 6508-6510.

20. Т. M. Brill, J. P. Boucher, J. Voiron, W. Palme, B. Liithi, G. Dhalenne, and A. Revcolevschi, Direct Observation of the q = 0 Spin-Peierls Gap in CuGe03 by High-Field ESR, J. Magn. Magn. Mater. 140-144 (1995) 1683-1684.

21. P. H. M. van Loosdrecht, J. P. Boucher, G. Martinez, G. Dhalenne, and A. Revcolevschi, Inelastic light scattering from magnetic fluctuations in CuGe03, Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 311-314.

22. Z. V. Popovic, S. D. Devic, V. N. Popov, G. Dhalenne, and • A. Revcolevschi, Phonons in CuGeOs studied using polarized farinfrared and raman-scattering spectroscopies, Phys. Rev. В 52 (1995) 4185-4190.

23. H. Kuroe, T. Sekine, M. Hase, Y. Sasago, K. Uchinokura, H. Kojima, I. Tanaka, and Y. Shibbuya, Raman scattering study of CuGeOs in the spin-Peierls state, Phys. Rev. В 50 (1994) 16468-16474.

24. A. Carpy and J. Galy, Affinement de la structure cristalline du bronze NaV2(W, Acta Crystallogr. В 31 (1975) 1481-1482.

25. A. N. Vasil'ev, A. I. Smirnov, M. Isobe, and Y. Ueda, Electron spin resonance in the spin-Peierls compound NaV205, Phys. Rev. В 56 (1997) 5065-5068.

26. Т. Yosihama, M. Nishi, K. Nakajima, K. Kakurai, Y. Fujii, M. Isobe, and Y. Ueda, Magnetic excitation in spin-Peierls compound NaV^Os, Physica В 234-236 (1997) 539-540.

27. M. Isobe, C. Kagami, and Y. Ueda, Crystal Growth of New Spin-Peierls Compound NaV205, J. Crystal Growth 181 (1997) 314-317. >

28. M. Weiden, R. Hauptmann, C. Geibel, F. Steglich, M. Fischer, P. Lemmens, and G. Gunterodt, Experimental evidence for a spin-Peierls transition in a a'-NaV205, Z. Phys. В 103 (1997) 1-3, cond-mat/9703052.

29. W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, and B. P. Flannery, Numerical Recipes In FORTRAN, Cambridge Univ. Press, 2nd edition.

30. С. Короткий, Введение в распознавание образов. Часть 1. Преобразование Хафа., Монитор №8 (1994) 22-25.

31. D. W. Berreman and F. С. Unterwald, Adjusting Poles And Zeros Of Dielectric Dispersion To Fit Reststrahlen Of РгС1з And ЬаС1з, Phys. Rev. 174 (1968) 791-799.

32. L. F. Mattheiss, Band Picture of the Spin-Peierls Transition in the Spin-1 Linear-Chain Cuprate CuGe03, Phys. Rev. В 49 (1994) 1405014053.

33. Z. S. Popovic, F. R. Vukajlovic, and Z. V. Sljivancanin, Band Structure of Spin-Peierls Cuprate CuGe03, J. Phys.: Condens. Matter 7 (1995) 4549-4559.

34. H. Wu, M.-C. Qian, and Q.-Q. Zheng, Insulating band structure of CuGe03, J. Phys.: Condens. Matter 11 (1999) 209-219.

35. Z. V. Sljivancanin, Z. S. Popovic, and F. R. Vukajlovic, Band structure of the spin-Peierls cuprate CuGe03, Phys. Rev. В 56 (1997) 4432-4438.

36. M. Bassi, P. Camagni, R. Rolli, G. Samoggia, F. Parmgiani, G. Dhalenne, and A. Revcolevschi, Optical absorption of CuGe03, Phys. Rev. В 54 (1996) 11030-11033.

37. D. L. Rousseau, R. P. Bauman, and S. P. S. Porto, Normal mode determination in crystals, J. Raman Spectrosc. 10 (1981) 253-290.

38. G. Li, J. L. Musfeldt, Y. J. Wang, S. Jandl, M. Poirier, G. Dhalenne, and A. Revcolevschi, Optical observation of the interplay between magnetic and elastic energy in a spin-Peierls system, Phys. Rev. В 54 (1996) 15633-15636.

39. S. Katano, O. Fujita, J. Akimitsu, and M. Nishi, Pressure Effects on the Dimerization in the Spin-Peierls State of CuGeOs, Phys. Rev. В 52 (1995) 15364-15367.

40. L. P. Regnault, M. Am, B. Hennion, G. Dhalenne, and A. Revcolevschi, Inelastic-neutron-scattering investigation of the spin-Peierls system CuGe03, Phys. Rev. В 53 (1996) 5579-5597.

41. W. Schnelle, Y. Grin, and R. K. Kremer, Specific Heat of a'-NaV205 in Magnetic Fields Up to 16 T, Phys. Rev. В 59 (1999) 73-76.

42. ZZ. УЛ G. Ambert, J. P. Boucher, G. Dhalenne, and

43. A. Revcolevschi, Investigation of the Spin-Peierls Phase Diagram of CuGeOs: Far-Infrared Electron Spin Resonance in High Field, J., Appl. Phys. 79 (1996) 5384-5386.

44. M. Koppen, D. Pankert, R. Hauptmann, M. Lang, M. Weiden, G. C, and F. Steglich, Interference of a First-Order Transition with the Formation of a Spin-Peierls State in c*'—NaVijOs, Phys. Rev. В 57 (1998) 8466-8471, cond-mat/9710183.

45. M. Fujita et al., Physica В 213-214 (1995) 288.

46. Т. Yosihama, М. Nishi, К. Nakajima, К. Kakurai, Y. Fujii, M. Isobe, С. Kagami, and Y. Ueda, Spin dynamics in NaV^Os — inelastic neutron scattering, J. Phys. Soc. Jpn. 67 (1998) 744-747.

47. H. Smolinski, G. Gros, W. Weber, U. Peuchert, G. Roth, M. Weiden, and C. Geibel, NaV205 as a quarter-filled ladder compound, Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 5164-5167, cond-mat/9801276.

48. A. Meetsma, J. L. D. Boer, A. Damascelli, Т. Т. M. Palstra, J. Jegoudez, and A. Revcolovschi, Inversion symmetry in the spin-Peierls compound a'-NaV205, Acta Cryst. С 54 (1998) 1558, cond-mat/9806081.

49. U. Fano, Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts, Phys. Rev. 124 (1961) 1866-1878.

50. L. Abello, E. Husson, Y. Repelin, and G. Lucazeau, Vibrational Spectra and Valence Force Field of Crystalline V2O5, Spectrochem. Acta 39A (1983) 641-651.

51. P. Thalmeier and P. Fulde, Charge Ordering and Spin-Peierls Transition in а'-МаУ205, Europhys. Lett. 44 (1998) 242, cond-mat/9805230.

52. H. Seo and H. Fukuyama, Charge Ordering and Spin Gap in NaV205, J. Phys. Soc. Jpn. 67 (1998) 2602-2605, cond-mat/9805185.

53. M. V. Mostovoy and D. I. Khomskii, Charge Ordering and Opening of Spin Gap in NaV205, (1998), cond-mat/9806215.

54. Т. Ohama, Н. Yasuoka, М. Isobe, and Y. Ueda, Mixed Valency and Charge Ordering in a/-NaV205, Phys. Rev. В 59 (1999) 3299-3302.

55. H. Wu and Q.-Q. Zheng, Electronic Structure of the Spin-Peierls System NaV205, Phys. Rev. В 59 (1999) 15027-15032.

56. W. V. Hove, P. Clauws, and J. Vennik, Optical Properties of VgOi3 Single Crystals in the Metallic and the Semiconducting Phase, Solid State Commun. 33 (1980) 11-16.

57. J. Liidecke, A. Jobst, S. V. Smaalen, E. Morre, C. Geibel, and H.-G. Krane, Acentric Low-Temperature Superstructure of NaV"20s, Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 3633-3636.

58. S. V. Smaalen and J. Liidecke, Europhys. Lett. 49 (2000) 250.

59. N. F. M. Henry and K. Lonsdale, editors, International Tables for X-Ray Crystallography.

60. J. Petzelt and V. Dvorak, J. Phys. C: Solid State Phys. 9 (1976) 1571.

61. M. Fischer, P. Lemmens, G. Els, G. Guntherodt, E. Y. Sherman, E. Morre, C. Geibel, and F. Steglich, Spin-Gap Behavior and Charge Ordering in cZ-NaV^Os Probed by Light Scattering, Phys. Rev. В 60 (1999) 7284-7294.

62. Т. Moria, Theory of Absorption and Scattering of Ligth by Magnetic Crystals, J. Appl. Phys. 39 (1968) 1042-1049.