Коллективные взаимодействия в упорядоченых системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Марченко Владимир Леонидович

КОЛЛЕКТИВНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В УПОРЯДОЧЕНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена на кафедре квантовой статистики и теории поля физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико - математических наук

профессор Б.И. Садовников

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,

профессор Е.Е. Тареева доктор физико - математических наук, профессор С.С. Кротов

Ведущая организация: Математический институт

им. В.А. Стеклова РАН, г. Москва

Защита состоится « /2Г » _2005 г. в

час. на заседании Диссертационного Совета К 501.001.17 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова (г. Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан «_

/Г

» ^^¿Яи? 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К 501.001.17

д.ф.-м.н, профессор с' П.А. Поляков

/У

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Реальные магнетики всегда содержат дефекты кристаллической структуры. Наиболее важными из них в силу дальнодействующего характера вызываемых искажений решетки являются линейные или плоскостные дефекты - дислокации. Имеющиеся исследования влияния кристаллических дефектов на релаксационные и кинетические процессы в упругой и электронной спиновой системах, а также воздействие указанных систем на дислокации относятся к условиям, когда магнитоупругая связь мала. Взаимодействие ядерной спиновой системы с дислокациями в магнитоупорядоченных кристаллах вообще изучено крайне мало.

В диссертации рассматриваются связанные колебания электронной и ядерной систем в анаиферромагнетике типа «легкая плоскость» в сильных магнитных полях. На основе «и-у»-преобразования Боголюбова найден спектр этих колебаний и найдена новая мода е1к коллективных колебаний в антиферромагнетике. Найден динамический сдвиг частоты ядерного магнитного резонанса, связанный с этой модой

Также изучается влияние дефектов кристаллической решетки на релаксационные и кинетические явления в упругой электронной и

ядерной спиновых системах с учетом обменного усиления магнитоупругого и сверхтонкого взаимодействия.

Цель работы.

• Обобщение метода «и-у»- преобразования Боголюбова для электронной и ядерной систем в антиферромагнетике типа «легкая плоскость» в сильных магнитных полях с целью найти спектр новых связанных колебаний и новую моду егк коллективных колебаний в антиферромагнетике.

• Исследование локализованных колебаний спиновой системы в кристаллах с линейными дефектами и возникновение связанных двухмагнонных состояний на дислокациях.

• Изучить релаксацию ядерной «спин-флип» моды, обусловленную сверхтонким взаимодействием. Исследовать область параметров соп « соыо®а, Для которой выполнено условие 02пк « £гк- Показать, что для ядерных спиновых волн с волновым вектором к~]05смА основным является рассеяние на тепловых флуктуациях продольного компонента ядерных спинов.

Научная новизна.

В диссертационной работе впервые метод «и-у»-преобразования Богол^бр,Ьа,.9бдбшен на случай связанных колебаний электронной и

ядерной систем в антиферромагнетике типа «легкая плоскость» в сильных магнитных полях. Найден спектр этих колебаний и найдена новая мода е2к коллективных колебаний в антиферромагнетике. Найден динамический сдвиг частоты ядерного магнитного резонанса, связанный с этой модой.

На основе модифицированного гамильтониана Гейзенберга исследована возможность возникновения состояний двух магнонов, локализованных на дефекте (дислокации), в ферромагнитном кристалле. Рассмотрены локальные и квазилокальные магнонные состояния и найдены параметры, при которых происходит их разделение.

Для системы типа ферромагнитного кристалла, содержащего линейный дефект (дислокацию), исследована возможность состояний двухмагнонных состояний при определенных параметрах обменных взаимодействий. Найдено, что такие состояния существуют при величине £ <-0,41.

Впервые в условиях сильной магнитоупругой связи учтена пространственная неоднородность распределения равновесной намагниченности антиферромагнинтной системы, содержащей дефект, что позволило учесть вклад магнитной системы в нелинейные взаимодействия квазизвуковых волн с дефектом в кристалле.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в ОИЯИ в Дубне, в Математическом институте им. Стеклова РАН, на Боголюбовской конференции по проблемам теоретической и математической физики (Москва-Дубна, 2-6 сентября, 2004 г.).

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность и новизна представленной работы, сформулированы цели исследований, дается краткое изложение содержания по главам.

В первой главе рассматривается взаимодействие системы электронных спинов с системой ядерных спинов в антиферромагнетиках типа «легкая плоскость» в случае опрокидывания спина («спин-флип» фаза), что является весьма важным для изучения термодинамических и кинетических свойств ядерных систем. В главе исследованы равновесные конфигурации электронных и ядерных намагниченностей. Найдена связь электронной и ядерной спиновых систем с упругими полями, создаваемыми дефектами в кристалле.

Кроме того, в этой главе рассматриваются связанные колебания электронной и ядерной систем в антиферромагнетике типа «легкая плоскость» в сильных магнитных полях. Основой модели служит гамильтониан

Г я

где электронные спины Ш,, 8, принадлежат различным подрешеткам, 1п 7к- ядерные спины, ./(г/Е) - обменный интеграл, = - Я , /с,, Кг -константы анизотропии, Я - нормаль к плоскости легкого намагничивания, Л0 - константа электрон-ядерного взаимодействия, ц,

- электронный и ядерный магнетон Бора. Данный гамильтониан после преобразования Гольштейна-Примакова приобретает вид

X = + У->Вг-Х<Рй<Р^ + ®ХЛ* 1+

к

к

На основе «и-у»-преобразования Боголюбова

а„-=и гС, ,-С* ,-+и ГС, .+у .С* .,

2к ее*: 2с*г ее* 2е-к ечк 2т епк 2и А'

^2к ^тк^~'2ск е-к ^ппк^2»к ^ии1с к '

где функции и и V легко находятся и имеют вид,

и

и

и

и

найден спектр связанных колебаний и найдена новая мода еи коллективных колебаний в антиферромагнетике. В длинноволновом пределе для антиферромагнетика типа «легкая плоскость» можно получить следующие значения для величины частоты связанных колебаний Пп

где 7 = 1,2.

Из последней формулы следует, что динамическая связь между электронными и ядерными системами приводит к обращению в нуль одной из двух частот полученных нормальных колебаний в точке перехода антиферромагнетика типа «легкая плоскость» в парамагнитное состояние. В этой фазе одна из спин-волновых ветвей является высокоактивационной, а другая ветвь является низкоактивационной в окрестности перехода антиферромагнетика в парамагнитное состояние.

= \ Ц+4 + 'У2<иЛо ± [К+>2 + 1У °> +)+]"2}

'„О «>»"и

В случае, когда 4Ц » 4тах{^,«Ао[_н , где -

частота сверхтонкого взаимодействия, спектр квазиэлектронных (квазиядерных) колебаний антиферромагнетика типа «легкая плоскость» принимает вид

ч £и ) .

В этом случае имеем две ветви колебаний. Одну - электронную и одну - квазиядерную.

Далее в главе найден динамический сдвиг частоты ядерного магнитного резонанса, связанный с этой модой. Также изучается релаксация ядерной «спин-флип» моды обусловленная сверхтонким взаимодействием. Исследована область параметров соп2 « го>юСйд, для которой выполнено условие 02пк« £2к- Показано, что для ядерных спиновых волн с волновым вектором к ~ 105 см'1 основным является рассеяние на тепловых флуктуациях продольного компонента ядерных спинов.

Также в этой главе определены гамильтонианы взаимодействий, отвечающие трех- и четырехчастичным магнон-магнонным и магнон-фононным процессам, а также процессам рассеяния магнонов на неоднородных деформациях Вычислены вклады от перечисленных взаимодействий в декременты затухания магнонов обеих ветвей спектра кубического антиферромагнетика.

Вторая глава посвящена исследованию локализованных колебаний спиновой системы в кристаллах с линейными дефектами и возникновению связанных двухмагнонных состояний на дислокациях. Локальные колебания существенно влияют на энергетический спектр и, тем самым, на термодинамические свойства кристаллов. При этом во второй главе были найдены условия возникновения локальных и квазилокальных уровней.

Во второй главе на основе модифицированного гамильтониана Гейзенберга исследована возможность возникновения состояний двух магнонов, локализованных на дефекте (дислокации) в ферромагнитном кристалле. Рассматриваются локальные и квазилокальные магнонные состояния и находятся параметры, при которых происходит их разделение.

Рассматривается ферромагнитный кристалл, содержащий линейный дефект (дислокацию) и исследуется возможность состояний двухмагнонных состояний при определенных параметрах обменных взаимодействий. Найдено, что такие состояния существуют при величине £<-0,41.

В третьей главе диссертации рассматривается спиновая система, находится спектр спиновых флуктуаций в отсутствии внешнего магнитного поля, находится ветвь колебаний при ненулевом внешнем магнитном поле в области волновых векторов к < кс. Вычисляется полная неравновесная намагниченность, определяются компоненты тензора динамической магнитной восприимчивости, на основе

полученных результатов определяется величина г-компоненты плотности тока намагниченности, связанного со спиновыми колебаниями. Далее рассматривается взаимодействие фононов и спиновых флуктуаций обменной природы, находятся параметр спин-фононной связи и частоты связанных спин-фононных колебаний.

Основные результаты диссертации.

1. В диссертационной работе исследованы равновесные конфигурации электронных и ядерных намагниченностей. Найдена связь электронной и ядерной спиновых систем с упругими полями, создаваемыми дефектами в кристалле.

2. На основе «и-у»-преобразования Боголюбова найден спектр связанных колебаний электронной и ядерной систем в антиферромагнетике типа «легкая плоскость» в сильных магнитных полях и найдена новая мода еи коллективных колебаний в антиферромагнетике.

3. Изучена релаксация ядерной «спин-флип» моды обусловленная

сверхтонким взаимодействием. Исследована область параметров

со,,2 « сош®а, Для которой выполнено условие £22„к « Егк- Показано, что для ядерных спиновых волн с волновым вектором к~ 105 смл основным является рассеяние на тепловых флуктуациях продольного компонента ядерных спинов.

4. Исследована возможность двухмагнонных состояний в ферромагнитном кристалле, содержащем линейный дефект (дислокацию), при определенных параметрах обменных взаимодействий. Найдено, что такие состояния существуют при величине £ <-0,41

Список публикаций по теме диссертации:

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах'

1. А.М.Савченко, Б.И.Садовников, В.Л.Марченко // Взаимодействие электронной и ядерной спиновых систем в магнитном поле, Вестник МГУ, № 6, стр.68-70, 2003.

2. А.М.Савченко, Б.И.Садовников, В.Л.Марченко // К теории связанных колебаний электронной и ядерной систем, Вестник МГУ, № 6, 2004.

3. А.М.Савченко, Б И.Садовников, В.Л.Марченко // Релаксация спиновых волн в «спин-флип» фазе антиферромагнитных систем, Вестник МГУ, №

3, стр.70-72, 2005.

4. V.L. Marchenko, А.М Savchenko // «То the theory of interachion between electron and nuclear systems» / cond-mat / 0504759, 2005.

»1 08/

РНБ Русский фонд

2006-4 7624

Подписано в печать 11.05.2005 г Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать ризо. Усл. Печ. Л.1,3. Уч.-изд. Л.1,5 Тираж 120 экз. Заказ № 31

Отдел оперативной печати Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова 119992, ГСП-2, г Москва, Ленинские горы, д. 1, стр 2