Спиновая кинетика в двумерных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

-От-

СО

Г...

е.. С\|

2С

о На правах рукописи

БЕЛОВ СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

СПИНОВАЯ КИНЕТИКА В ДВУМЕРНЫХ СИСТЕМАХ

01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

К А ЗАНЬ - 1997

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Казанского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физико - математических наук,

профессор Кочелаев Б.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Косое А.А.

кандидат физико-математических наук, Аникеенок О.А.

Ведущая организация: Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского КНЦ РАН

Защита состоится 1997 года в Щ.У> часов на заседании

диссертационного совета Д053.29.02 в Казанском государственном университете по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская 18.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского государственного университета.

Автореферат разослан

" " ¿¿/О/^ Я 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ. -мапг. наук, профессор

М.В. Ерёмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Недавнее открытие высокотемпературных сверхпроводников [1-2] стимулировало резкое возрастание интереса к двумерному магнетизму. Экспериментальные исследования показали, что плоскости С11О2 в слоистых сверхпроводящих соединениях типа 1Д2С11О4 и УВагСизОб представляют собой антиферромагнетик с малой спиновой анизотропией, а взаимодействие между плоскостями в 105 раз меньше обменного взаимодействия ионов меди внутри каждой отдельной плоскости. Это наводит на мысль, что двумерные антиферромагнитные флуктуации в слоях С11О2 играют существенную роль в механизме высокотемпературной сверхпроводимости, хотя чистые образцы La2Cu04, YBajCi^O^ и не являются сверхпроводящими. Поскольку взаимодействие между плоскостями очень мало, трехмерное критическое поведение образца вблизи температуры Нееля Tjsj и магнитное упорядочивание при Т<Т^ не будут оказывать существенного влияния на двумерные спиновые флуктуации, так что поведение всей системы при Т>Т^ будет близко к поведению изолированного слоя.

В связи с этим были предприняты многочисленные попытки теоретического исследования двумерного гейзенберговского антиферромагнетика со спином 5=1/2. Наиболее значительной из них является теория Чакраварти-Гальлерина-Нельсона (ЧГН), основанная на ренормгрупповом анализе нелинейной а-модели с использованием результатов спинволновой теории при Т=0 ( S. Chakravarty, B.I. Halperin, D.R. Nelson - Phys. Rev. B, 1989, v.39, N4, p.2344-2371). Необходимо также отметить работы, использующие 1 /N - разложение jV-компонентной сг-

модели ( A.V. Chubukov, S. Sachdev, J. Ye. - Phys. Rev. B, 1994, v.49, N17, p. 11919-11961). Несмотря на определенные успехи, достигнутые в этом направлении и большое количество экспериментальных данных по рассеянию нейтронов и ядерной магнитной релаксации в La2Cu04 и УВагСизОб, единой теории, описывающей поведение двумерного гейзенберговского антиферромагнетика без привлечения подгоночных параметров, пока нет. По-видимому, это связано со специфическими трудностями изучения двумерных систем и необходимостью использования недостаточно обоснованных приближений.

В данной работе предлагается альтернативный метод описания спиновых флуктуаций в двумерных гейзенберговских системах и исследования их роли в ядерной магнитной релаксации. Он основан на возможности существования в двумерных гейзенберговских магнетиках пространственно неоднородных метастабильных состояний, называемых топологическими возбуждениями, или скирмионами. Возникновение локальных статических искажений однородного основного состояния двумерного гейзенберговского ферромагнетика была установлена Белавиным и Поляковым при анализе экстремальных свойств классической нелинейной а-модели ( A.A. Белавин, А.М. Поляков. - Письма в ЖЭТФ, 1975, т.22, вып.10,с.503-506). Однако, в этой работе не были исследованы элементарные возбуждения и спиновая динамика в системе со скирмионами; кроме того вызывает сомнение применимость полученных результатов для ферромагнетика со спином S=l/2, поведение которого носит существенно квантовый характер. В настоящей работе рассмотрение с самого начала является квантовым, что позволяет, помимо решения задачи о метастабильных состояниях,

О<кТ<1, более последовательное вычисление динамических корреляционных функций.

2) Показано, что уравнение Шредингера для гейзенберговского гамильтониана имеет неоднородное решение, автоматически удовлетворяющее теореме Мермина-Вагнера-Хогенберга. Это решение представляет собой топологические возбуждения (скирмионы) над однородным состоянием. Дано термодинамическое описание систем, содержащих большое число невзаимодействующих скирмионов, найдена температурная граница применимости подобного описания. Получен гамильтониан, позволяющий проанализировать спиновые флуктуации над неоднородным метастабильным состоянием.

3) Методом функций Грина исследован спектр элементарных спиновых возбуждений в двумерном гейзенберговском ферро- и антиферромагнетике со склрмионами. Показано, что в спектре имеется энергетическая щель, обусловленная конечным размером скирмиона. Получены выражения для температурной зависимости локального параметра порядка и радиуса магнитной когерентности. Сравнение с данными по рассеянию нейтронов показало, что вычисления на основе скирмионной модели лучше согласуются с экспериментом, чем соответствующие результаты теории Чакраварти-Гальперина-Нельсона (ЧГН) и 1/Лг -разложения (рис.1).

0 20-

0.18-

016

/

014-

/

0.12-

а 0-ю

г' С.0В-

/

ooe-

0.04-

0 02-

О-ОО-

00

o.z

0.3

0.4

Рис.1 Обратная корреляционная длина антиферромагнетика (La2Cu04, /=1580К), перенормированный классический режим.

Пунктирная линия соответствует теории ЧГН без подгонки к эксперименту, сплошная тонкая линия - теории ЧГН после подгонки, сплошная толстая линия - системе со скирмионами. Экспериментальные точки взяты из работы R.J. Birgeneau et.al. Physica В, 1992, 180-181, Pt.A, pp. 15-20.

4) Вычислена продольная и поперечная магнитная восприимчивость в двумерных гейзенберговских магнетиках при низких температурах. Показано, что перенормировка этих величин квантовыми флуктуациями при Т=0 значительно больше, чем предсказывалось другими теориями.

5) Исследована динамика ядерных спинов в двумерных магнитных системах со скирмионами. Показано, что присутствие топологических возбуждений приводит к неоднородному уширению линии ядерного магнитного резонанса. Методом неравновесного статистического оператора Зубарева получены линеаризованные уравнения движения для продольной и поперечной намагниченности ядерных спинов, связанных с электронной подсистемой посредством сверхтонкого взаимодействия. Анализ температурной зависимости кинетических коэффициентов (рис.2) показал,

что выражение для времени продольной релаксации почти полностью совпадает с результатами, полученными в рамках теории ЧГН.

ç

£ ' 1-Г

ао а; о* ов os го »г г-« is

x^J

Рис.2 Температурная зависимость скорости ядерной релаксации, антиферромагнетик.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

[1] С.И. Белов, Б.И. Кочелаев. - Элементарные спиновые возбуждения в двумерном гейзенберговском антиферромагнетике S= 1/2 со скирмионами. ФТТ, 1997. т. 39 , N 4, с. 574-576 .

[2] S.I. Belov, B.I. Kochelaev. - Spin waves in Heisenberg two-dimensional antiferromagnets S=l/2 with skyrmions. Solid State Communications, 1997,v. 103, N4, pp. 249-253.

[3] S.I. Belov, B.I. Kochelaev. - Magnetic properties and spin dynamics of a two-dimensional Heisenberg antiferromanet S—l/2 with skyrmions. The International Conference "Problems of Condenced Matter Theory", Moscow, June 1-4, 1997. Abstracts of papers, P-03.