Введение к работе
Актуальность темы
Использование новых принципов работы электронных устройств, основанных на спиновых степенях свободы приводит к принципиально новым технологиям в электронике, и к созданию нового направления – спинтроники. Так в спиновой электронике преобразование информации происходит через изменение намагниченности в электрическое напряжение, а в мультиферроиках связь между магнитной и электрической подсистемами проявляется через магнитоэлектрический эффект.
Обнаружение в последние годы новых классов мультиферроиков, в частности, редкоземельных манганитов, ванадата никеля и др., в которых сегнетоэлектричество имеет несобственный характер и возникает в определенных модулированных магнитных структурах. Общей чертой таких мультиферроиков является конкуренция (фрустрация) обменных взаимодействий, которая приводит к образованию нецентросимметричных спиральных магнитных структур, в том числе циклоидального типа, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Электрическая поляризация в них возникает благодаря неоднородному магнитоэлектрическому взаимодействию, которое приводит к появлению поляризации при неколлинеарном расположении соседних спинов. К таким веществам относятся соединения с зарядовым упорядочением одного типа катионов на решетке с фрустрированными обменными взаимодействиями, образованными топологией решетки. Поэтому для таких систем важно установить область параметров существования несоразмерной структуры, где возможно ожидать проявление ферроэлектрических особенностей.
Электроны, кроме зарядовой и спиновой степенью свободы, обладают орбитальным моментом. Орбитальное упорядочение в системах с сильными электронными корреляциями является одним из необходимых компонентов появления новых физических свойств, как сверпроводимость, магнитосопроивление, переход метал-диэлектрик и магнитных фазовых переходов. Полное понимание механизмов, стабилизирующих определенный тип упорядочения, зависит от взаимодействия между спиновыми, зарядовыми, орбитальными и решеточными степенями свободы.
Магнетики, имеющие двухкратное орбитальное квазивырождение кроме взаимодействий, не зависящих от спинов, обнаруживают зависимость интеграла обмена от взаимного расположения орбиталей. Это приводит не только к изменению магнитных свойств, но и к изменению транспортных характеристик, т.к. интегралы перескока между соседними 3d- ионами зависят как от типа орбиталей, так и от взаимного расположения узлов, поскольку распределение электронной плотности не является сферически симметричным.
При исследовании основного состояния и низкотемпературных эффектов в низкомерных системах существенную роль оказывают квантовые флуктуации в спиновой системе и в некоторых случаях это приведет к спин-Пайерловскому переходу. Поэтому представляется актуальным исследование орбитальных и спиновых степеней своды локализованных электронов на формирование магнитной структуры.
Полученные результаты могут быть использованы при интерпретации фотоэмиссионных спектров, оптическим спектрам поглощения для определении орбитальных степеней электрона на магнитную и электронную структуру.
Цели и задачи работы:
Теоретическое исследование структуры магнетиков с фрустрированными взаимодействиями и с орбитальным упорядочением.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
-
Установить последовательность магнитных фазовых переходов в двойной гексагонально плотно-упакованной структуре Pb3Mn7O15 с фрустрироваными связями, образованными топологией решетки.
-
Оценить величину квантовых флуктуаций обменно-связанных спинов электронов на орбитальное упорядочение.
-
Исследовать влияние сильных электронных корреляций и взаимодействия электронов с решеткой на орбитальное упорядочение электронов.
Научная новизна
Для кристаллической структуры, состоящей из двух элементарных гексагонально плотно-упакованных ячеек, рассчитаны магнитные структуры и параметры обменов, при которых наблюдается переход из ферримагнитного в модулированное состояние. Для марганцевого феррита Pb3Mn7O15 с ферромагнитным взаимодействие между ГПУ плоскостями предсказан механизм перехода из низкотемпературной фазы (ферримагнитной) в несоразмерное состояние.
Оценен обменный механизм упорядочения электронов на eg орбиталях с учетом обменной анизотропии типа “легкая ось” для спина S=1/2 и найдено два типа орбитального упорядочения электронов с квазиодномерным и двумерным порядком со специальной топологией структуры.
Для электронов, расположенных на вырожденных орбиталях и взаимодействующих с решеточными степенями свободы с учетом ангармонизма колебаний ионов, установлены области существования орбитального упорядочения с ферро- и антиферромагнитным порядком. Предсказаны критические параметры электрон-фононного взаимодействия, связанные с исчезновением дальнего орбитального порядка.
Практическая значимость работы
Результаты теоретических расчетов магнитной структуры могут быть полезными при постановке и объяснении экспериментов по магнитоэлектрическому эффекту, для целенаправленного поиска магнитных соединений с модулированной структурой, например, при катионном замещении ионов марганца в марганцевом феррите. Полученные результаты могут быть использованы при интерпретации фотоэмиссионных спектров, по магнитному рассеянию нейтронов, оптическим спектрам поглощения для определении орбитальных степеней электрона на магнитную и электронную структуру, для установления механизма деформации решетки при фазовых переходах.
Достоверность результатов достигается хорошим согласием вычисленных характеристик с экспериментальными данными, а также в некоторых случаях хорошим совпадением с результатами, полученными аналитическими методами, анализом погрешностей измерений, применением современных аттестованных компьютерных математических программ.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Для кристаллической структуры, состоящей из двух элементарных гексагонально плотно-упакованных ячеек с антиферромагнитными взаимодействиями, возможно существование двух магнитных фазовых переходов по температуре. Установлен механизм низкотемпературного перехода в Pb3Mn7O15 при Т > 20 К.
-
Существование двух типов орбитального упорядочения электронов с квазиодномерным и двумерным порядком спинов электронов на e g орбиталях в зависимости от соотношения параметров обмена и анизотропии обменных взаимодействий.
-
Зависимость квантового сокращения спина на узле и температуры Нееля для квазидвумерного антиферромагнетика со спином S=1/2 и со страйп -структурой от анизотропии обмена.
-
Наиболее устойчивым расположением орбиталей, для электронов с сильными корреляциями на вырожденных уровнях, при взаимодействии с решеточными степенями свободы, является ферромагнитное упорядочение орбиталей. Областью существования орбитального ферро- и антиферромагнитного упорядочения орбиталей, являются интервалы параметров электрон-решеточного взаимодействия, соответственно 0
-
Рост ангармонизма способствует увеличению области существования антиферромагнитного упорядочения орбиталей.
Личный вклад автора заключается в составлении программ для вычисления магнитных и структурных характеристик, проведении расчетов, обработке и интерпретации полученных результатов, подготовке их к публикации, участии в написании статей и докладов. В результате проведенных модельных расчетов и построенных, на основании полученных результатов, графиков автор предложил механизм низкотемпературного перехода от ферромагнитного к модулированному состоянию в Pb3Mn7O15 при Т > 20 К, рассчитал области существования квазиодномерного и квазидвумерного антиферромагнетиков с обменной анизотропией типа “легкая ось” в квантовой модели Гейзенберга на плоскости альтернирование – анизотропия обмена, а также установил область существования ферро- и антиферромагнитного упорядочения орбиталей с одним электроном на узле с учетом ангармонизма колебаний ионов.
Апробация диссертационной работы.
Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на международных симпозиумах и конференциях: Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007); Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale» ( Ekaterinburg, 2010); Московский международный симпозиум по магнетизму MISM (Москва, 2008); XXXI Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка-2006» (Россия, Кыштым, 19-25 февраля 2008г.), Международный симпозиум «Упорядочение в Минералах и Сплавах» (Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2007, 2008); Международная научная конференция «Решетневские чтения» (Красноярск, 2009).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них в рецензируемых журналах 4 статьи. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 108 страниц и включает 35 рисунков, 1 таблицу и список цитируемой литературы содержит 120 наименований.
