Новые механизмы формирования основного состояния в спиновых жидкостях
 На
кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета
МГУ развивается новое научное направление - исследование физических механизмов
формирования спин-синглетного основного состояния (состояния спиновой жидкости)
в низкоразмерных магнитных системах.
Концентрированные магнитные системы, которые в силу топологических особенностей не способны к поддержанию дальнего магнитного порядка, при низких температурах достигают состояния спиновой жидкости. Топологические особенности, препятствующие магнитному упорядочению, сводятся либо к понижению размерности магнитной подсистемы, либо к фрустрации обменного взаимодействия. В отличие от трехмерных магнетиков, двумерные магнетики упорядочиваются лишь при абсолютном нуле темпертур, а одномерные системы даже при абсолютном нуле остаются разупорядоченными. Спиновая жидкость в низкоразмерных системах представляет собой сильно коррелированную электронную систему, свойства которой близки к сверхпроводящему конденсату или к сверхтекучей жидкости. Основное состояние низкоразмерных систем может быть отделено энергетической щелью от континуума магнитных возбуждений, как это реализуется в изолированных цепочках целочисленных спинов (S = 1). В изолированной цепочке полуцелочисленных спинов (S = ?), связанных обменным взаимодействием, основное состояние от возбужденных состояний энергетической щелью не отделено. Энергетичеcкая щель в спектр магнитных возбуждений цепочки полуцелочисленных спинов (S = ?) может быть введена за счет альтернирования обменного взаимодействия. В случае предельно сильного альтернирования систему можно рассматривать в качестве ансамбля невзаимодействующих димеров. Основное состояние разнообразных спиновых жидкостей является спиновым синглетом. К наиболее известным, хотя и очень редким, механизмам формирования спин-синглетного состояния, относится спин-Пайерлсовское упорядочение. Альтернирование обменного взаимодействия в цепочке при этом возникает за счет деформации и удвоения периода кристаллической решетки.
С целью поиска новых механизмов формирования спин-синглетного состояния в концентрированных магнитных системах на кафедре физики низких температур исследуется широкий класс низкоразмерных металлооксидных соединений. В общей сложности, за последние пять лет автором цикла было синтезировано и исследовано более 30 новых металлооксидных соединений, в том числе
 1.
NaV2O5 Установлен механизм формирования спин-синглетного состояния в NaV2O5,
который заключается в следующем. В кристаллической структуре этого соединения
представлены слои ванадила VO5, состоящие из сдвинутых на полпериода спиновых
лестниц. Неучаствующий в ионно-ковалентных связях 3d - электрон ванадия размещается
на связывающей молекулярной орбитали V-O-V, которая представляет собой перекладину
спиновой лестницы. Такое расположение носителя магнитного момента обеспечивает
однородный обмен вдоль лестницы, которая тем самым, представляет бесщелевую
магитную систему. Зигзагообразное распределение заряда по перекладинам спиновой
лестницы приводит к альтернированию обменного взаимодействия, поляризации решетки
и структурным искажениям. Тем самым, спин-синглетное основное состояния в NaV2O5
достигается за счет зарядового упорядочения. В структурно близком соединении
LiV2O5 синглетное основное состояние обязано изолированным димерам.
 2.
SrCu2(BO3)2 В слоистой структуре диборида дикупрата стронция ионы двухвалентной
меди Cu2+ образуют двумерную ортогональную сетку димеров, связанных фрустрированным
обменным взаимодействием. При реализующемся в этом соединении соотношении обменных
констант внутри димера и между димерами реализуется спин-синглетное основное
состояние, отделенное щелью от возбужденных состояний. При приложении сильного
магнитного поля к этой системе магнитные возбуждения самоорганизуются, образуя
упорядоченные страйп-структуры, что проявляется в виде дробных плато на полевых
зависимостях.
 3.
NaTiSi2O6 В пироксенах на основе трехвалентного титана Ti3+ формирование спин-синглетного
основного состояния происходит за счет орбитального упорядочения. В изолированных
цепочках, связанных по ребру титан-кислородных октаэдров TiO6, обмен осуществляется
электронами, расположенными на двукратно вырожденной tg орбитали. За счет кооперативного
эфекта Яна-Теллера это вырождение снимается, а однородная цепочка разбивается
на слабо связанные димеры. Аналогичный механизм формирования спин-синглетного
состояния реализуется также в LiTiSi2O6.
 4.
BiCu2VO6 Магнитная подсистема дикупрата ванадата висмута представлена сильно
искаженными спиновыми лестницами на полуцелочисленных спинах двухвалентной меди
Cu2+. Основным состоянием спиновой лестницы с четным числом направляющих является
спиновый синглет. В BiCu2VO6 так же реализуется спин-синглетное основное состояние,
однако энергетический спектр этого соединения крайне необычен. В нем представлены
три изолированных типа магнитных возбуждений, отвечающих образованию трех типов
димеров при низких температурах.
Основным результатом проведенных исследований стало обнаружение новых механизмов
формирования спиновой жидкости 1) за счет зарядового упорядочения в квазидвумерном
NaV2O5; 2) за счет орбитального упорядочения в квазиодномерных NaTiSi2O6 и LiTiSi2O6;
3) за счет димеризации спиновых лестниц в квазиодномерном BiCu2VO6; 4) за счет
фрустрации обменного взаимодействия между димерами в квазидвумерном SrCu2(BO3)2.
Для выполнения представленного цикла работ на кафедре физики низких температур физического факультета МГУ за последние пять лет создан мощный комплекс экспериментальных методик, включая установки твердофазного синтеза, установки по исследованию магнитной восприимчивости, сопротивления, коэффициента теплового расширения, теплопроводности и теплоемкости. Основные результаты проведенного цикла исследований опубликованы в 62 статьях. Они имеют один из наиболее высоких уровней цитирования в отечественной физике и стимулируют развитие дальнейших экспериментальных и теоретических исследований в мире. Новые механизмы формирования спиновой жидкости существенно обогащают картину квантовых кооперативных явлений в конденсированных средах.
Зав. кафедрой физики низких температур
и сверхпроводимости, профессор А.Н. Васильев
Примечание Гл. редактора:
В 2003 г. профессор А.Н. Васильев награжден Премией 1 степени Конкурса на премию
физического факультета МГУ за выдающиеся научные достижения.
| 
Виртуальный тур и фильмы о факультете
Вестник МГУ. Серия 3.
связаться с нами