11 апреля 2006 года состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук

12.04.2006

Научное сообщение «Новые магнитные состояния в кристаллах». Докладчик – доктор физических наук Смирнов Александр Иванович (Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН).

11 апреля 2006 года состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук

 

Члены Президиума заслушали научное сообщение «Новые магнитные состояния в кристаллах». Докладчик – доктор физических наук Смирнов Александр Иванович (Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН).

 

Магнитные моменты атомов и ионов в твердых телах связаны различными взаимодействиями, которые при низких температурах обычно приводят к установлению магнитного порядка. В магнитоупорядоченном состоянии магнитные моменты атомов направлены определенным образом по отношению к магнитным моментам соседних атомов, например, параллельно, как в ферромагнетиках, или антипараллельно, как в антиферромагнетиках. Элементарные магнитные моменты атомов обязаны своим происхождением собственному механическому моменту электронов, так называемому спину, и могут быть равны одному или нескольким магнитным моментам электрона. Образование магнитоупорядоченных состояний происходит при понижении температуры, аналогично тому, как вода при замерзании превращается в лед, то есть в упорядоченное кристаллическое состояние, в котором по положению одного атома можно указать положения всех остальных. Изучение магнитоупорядоченных состояний интенсивно велось в прошлом веке, продолжается до сих пор, и привело к мощному прорыву в современных технологиях – магнитная запись и магнитная память, преобразование электрической энергии в трансформаторах, генерация звука громкоговорителями и телефонами и многие другие применения основаны на знаниях, полученных в этих исследовательских работах.

Для немагнитных конденсированных сред, при определенных условиях, квантовые эффекты мешают образованию упорядоченных (твердых) состояний и приводят к новым состояниям конденсированной материи. Этот вопрос имеет важное фундаментальное значение. Известным примером здесь является гелий – этот легкий инертный газ при охлаждении сжижается, однако не затвердевает вплоть до абсолютного нуля температуры, демонстрируя специфическое квантовое состояние сверхтекучей жидкости. Это удивительное с точки зрения классической физики поведение объясняется большой энергией нулевых квантовых колебаний. Нулевые колебания - это движение, которое присуще микрочастицам в состоянии с минимальной энергией. В классической физике нулевые колебания отсутствуют.

Вернемся к магнитным системам. В последнее время были синтезированы кристаллы, магнитная подсистема которых остается полностью неупорядоченной вплоть до абсолютного нуля температуры. Эти экзотические магнитные состояния получили название “квантовых спиновых жидкостей” и они обусловлены сильными нулевыми флуктуациями элементарных магнитных моментов. Квантовые спин-жидкостные состояния в кристаллах не имеют классических аналогов, и демонстрируют, подчас, удивительные физические свойства. Например, магнитная восприимчивость кристалла, содержащего в каждой элементарной ячейке атомный магнитный момент, обращается в ноль при абсолютном нуле температуры.

В наших работах изучаются свойства нескольких типов квантовых спиновых жидкостей, в которых отсутствие магнитного порядка связано с цепочечной структурой спиновой системы (квазиодномерные магнетики) или с фрустрированным обменным взаимодействием. Существуют и другие спин-жидкостные системы. Некоторые из новых эффектов, которые нам удалось обнаружить, обусловлены введением небольшого количества немагнитных примесей. В спиновой жидкости с немагнитным основным состоянием, в небольшой окрестности примесного атома возникает область с антиферромагнитным упорядочением. Зависимость спектров магнитного резонанса от концентрации примесей позволяет определить размер указанных спиновых кластеров, который составляет несколько десятков межатомных расстояний, в состав такого острова упорядоченной фазы, окруженного спин-жидкостной немагнитной фазой, входит несколько десятков магнитных атомов. Указанные локальные области упорядоченной фазы представляют собой своего рода искусственные большие магнитные молекулы, то есть скоррелированные сильным обменным взаимодействием группы магнитных атомов, отделенные друг от друга немагнитной матрицей спин-жидкостной фазы. При понижении температуры края этих областей перекрываются, и единый магнитный порядок распространяется на весь образец, то есть возникает стимулированное немагнитными примесями магнитное упорядочение. Это явление необычно и неожиданно, так как в обычных магнитных кристаллах введение немагнитных примесей только затрудняет магнитное упорядочение. Разумеется, это необычное явление изучалось достаточно интенсивно специалистами в области магнетизма. В наших опытах по магнитному резонансу спин-пайерлсовского магнетика CuGeO3 и халдейновского магнетика PbNi2V2O8 наблюдалось разделение спектра на две компоненты, которые показывают, что наведенный примесями магнитный порядок оказывается сильно неоднородным, в нем содержится много “дыр” неупорядоченной фазы и отдельных “магнитных молекул” внутри этих дыр. При температуре упорядочения происходит так называемое протекание (перколяция) магнитного порядка на макроскопическое расстояние, а также разделение образца на упорядоченную и неупорядоченную фазы. Это разделение фаз существенным образом отличается от исследуемого в последние годы разделения фаз в различных проводящих системах (манганитах, высокотемпературных сверхпроводниках), так как происходит на идеальном диэлектрическом фоне.

Среди работ по квантовым спиновым жидкостям особо выделяется в последнее время интенсивное изучение так называемых фрустрированных систем. В этих кристаллах магнитные ионы расположены на пространственных решетках, в которых антипараллельная ориентация всех ближайших соседей невозможна по геометрическим причинам. Пример фрустрированной системы представляют собой три магнитных момента в вершинах треугольника – здесь при антипараллельной ориентации двух моментов третий момент уже нельзя расположить антипараллельно и первому, и второму. В сильно фрустрированных магнетиках с антиферромагнитным обменным взаимодействием, в классическом приближении можно указать очень большое (макроскопически большое) количество спиновых состояний с одинаковой и одновременно минимальной энергией. Наличие многих состояний с одинаковой энергией называют вырождением. Квантовые флуктуации между этими состояниями приводят к спин-жидкостному состоянию даже при абсолютном нуле температуры. Для фрустрированного антиферомагнетика Gd2Ti2O7 мы наблюдали эффект охлаждения при уменьшении магнитного поля при температуре ниже той, которая в энергетическом исчислении соответствует взаимодействию ближайших магнитных ионов. Такой эффект оказывается возможным в фрустрированном антиферромагнетике, так как эффективное изменение энтропии с помощью внешнего поля здесь происходит даже тогда, когда обычные магнитные кристаллы уже обладают очень малой энтропией вследствие магнитного упорядочения. Этот эффект является прямым следствием сильного вырождения основного состояния, лежащего в основе спин-жидкостного поведения. Его, в принципе, можно использовать в приложениях, для создания охлаждающих систем сверхнизкотемпературного диапазона, для работы которых несущественно наличие силы тяжести.

Таким образом, мы рассмотрели новый вид магнитного состояния кристаллов – состояние квантовой спиновой жидкости, в котором средний магнитный момент на узле решетки равен нулю, однако существуют сильные корреляции соседних спинов. Для этих состояний магнитных кристаллов обнаружены некоторые новые эффекты, например, микроскопическое фазовое расслоение в точке перехода в индуцированную примесями антиферромагнитную фазу, низкотемпературное магнитное охлаждение фрустрированных антиферромагнетиков.

Президиум РАН рассмотрел вопрос о присуждении золотой медали имени Н.Н. Семенова 2006 года (представление Экспертной комис­сии и Бюро Отделения химии и наук о материалах).

Президиум РАН постановил:

присудить золотую медаль имени Н.Н. Семенова 2006 года академику Молину Юрию Николаевичу за выдающийся вклад в исследования элементарных химических реакций, за развитие принципиально новых, основанных на применениях квантовой когерентности спинов, методов изучения кинетики и механизмов быстрых реакций.

Разработанные академиком Молиным Ю.Н. новые методы исследования кинетики механизма быстрых реакций ион-радикалов создают уникальные возможности идентифицировать и изучить превращения частиц в таких коротких промежутках -9 времени, как 10 мин. Так, метод спектроскопии пересечения уровней (МАРИ-спектроскопии) позволяет получить информацию спектров ЭПР ион-радикалов без использования СВЧ-поля. Метод оптически детектируемого ЭПР позволяет регистрировать ион-радикалы при рекордно низкой их концентрации в растворе. Метод квантовых биений в рекомбинационной люминесценции ион-радикальных пар позволяет идентифицировать эти частицы и исследовать их превращения в наносекундном диапазоне. Этими методами получена обширная информация о реакциях ион-радикалов. Разработки Молина Ю.Н. перспективны не только для выяснения фундаментальных закономерностей в области химии и физики жидкофазных процессов, но и для разработки новых технологий. Не случайно, что эти исследования с использованием квантовой когерентности радикальных пар привлекают все большее внимание исследователей.

 

Члены Президиума обсудили и приняли решения по ряду других научно-организационных вопросов.

Информация предоставлена Пресс-службой РАН.

Пресс-служба РАН: Руководитель - Преснякова Ирина Васильевна

тел./факс: 954 11 45 E-mail - irina@presidium.ras.ru

Главный специалист - Бадо Анна Ефимовна тел: 237 90 02; E-mail – novo@presidium.ras.ru

Главный специалист – Каменева Валентина Сергеевна. Тел. 237-81-15 E-mail – vskameneva@presidium.ras.ru

Главный специалист Колесникова Марина Валерьевна т/ф.: 718 17 55

E-mail - mvel@mail.ru; marina@presidium.ras.ru

©РАН 2020